Optimizing initial synchronization time in IEEE802.15.4-TSCH networks

Abstract

The subject of this thesis is the problem of the initial synchronization in networks based on the IEEE802.15.4-TSCH protocol. This protocol, which is briefly called TSCH, is a novel MAC protocol characterized by ultra-low energy consumption and ultra-high reliability, two features that are particularly desirable in industrial environments. In TSCH, the communication takes place according to a schedule, a fact that allows the nodes when they do not communicate to go into sleep mode, that is, into a low energy consumption mode, while a slow channel hopping mechanism is used to tackle the external interferences. Based on TSCH, IETF develops the 6TiSCH technology, which bridges the gap between TSCH and IPv6, with the ultimate goal of providing an open solution realizing the Industrial Internet of Things. A critical process for the formation of a TSCH network is the process of the initial synchronization, according to which a node desiring to join a TSCH network must firstly synchronize with it. During the process of initial synchronization, the node scans the available radio channels until it receives from the desired network a special frame called Enhanced Beacon (EB). Due to the use of multiple orthogonal channels by TSCH as well as due to the channel hopping mechanism, the finding of an EB may require a significant amount of time. The longer the initial synchronization phase lasts the higher the energy consumption of the node, since the node must have its radio constantly on in this phase. An increased energy consumption may be prohibitive for the joining of a node with a very strict limit in the energy consumption, such as a node powered by capacitors whose energy is limited and occasionally replenished by a renewable energy resource. The speed of the initial synchronization is significantly affected by the EB transmissions scheduling. A higher EB transmission rate can lead to a lower initial synchronization time. However, such an increase typically requires the allocation of more communication resources, thus reducing the resources available for data transmissions. Moreover, it results in an increased energy consumption in the nodes that transmit EBs. Besides the increase of the EB rate, a more effective EB scheduling in terms of the minimizing of or the avoidance of collisions during EB transmissions can also contribute to the achievement of a lower initial synchronization time. In this doctoral dissertation three different approaches for the initial synchronization problem are presented. Firstly, an optimization technique, named Advertisement Timeslot Partitioning (ATP), is proposed that allows the increase of the EB rate without allocating more communication resources. The idea behind this technique comes from the possibility of optimizing the use of the available transmission time in an advertisement timeslot, that is, in a timeslot used for EB transmissions. Secondly, a Collision-Free Advertisement Scheduling (CFAS) technique is proposed that allows the transmission of advertisements, that is of the EBs, without collisions. The philosophy of this technique is that nodes can, especially in industrial environments, have unique identifiers that they are able to utilize to autonomously select different timeslots and radio channels for the transmission of EBs. Finally, the relation between the initial synchronization time and the scan period it is studied, that is, the time that a node stays in a channel as it scans the available channels to find an EB. This study is conducted in the context of the minimal 6TiSCH configuration that was defined relatively recently by the 6TiSCH working group of IETF. Through this study, the significant impact of the scan period on the initial synchronization time is demonstrated and the optimal scan period in the minimal 6TiSCH configuration is calculated.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί το πρόβλημα του αρχικού συγχρονισμού στα δίκτυα που βασίζονται στο πρωτόκολλο IEEE802.15.4-TSCH. Το πρωτόκολλο αυτό, που εν συντομία καλείται TSCH, είναι ένα καινοτόμο πρωτόκολλο Ελέγχου Πρόσβασης στο Μέσο (Medium Access Control - MAC) που χαρακτηρίζεται από πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και πολύ υψηλή αξιοπιστία, δύο επιθυμητά χαρακτηριστικά σε βιομηχανικά περιβάλλοντα. Στο TSCH η επικοινωνία γίνεται βάσει προγράμματος, γεγονός που επιτρέπει στους κόμβους όταν δεν επικοινωνούν να μεταβαίνουν σε κατάσταση ύπνωσης (sleep mode), δηλαδή σε κατάσταση χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, ενώ ένας μηχανισμός αργής μεταπήδησης καναλιών χρησιμοποιείται για την αντιμετώπιση των εξωτερικών παρεμβολών. Με βάση το TSCH, ο IETF (Internet Engineering Task Force) αναπτύσσει την τεχνολογία 6TiSCH, που γεφυρώνει το TSCH με το IPv6, με απώτερο στόχο την παροχή μιας ανοιχτής λύσης για την πραγμάτωση του Βιομηχανικού Διαδικτύου των Πραγμάτων. Μια κρίσιμη διαδικασία για το σχηματισμό ενός δικτύου TSCH είναι η διαδικασία του αρχικού συγχρονισμού, σύμφωνα με την οποία για να μπορέσει ένας κόμβος να συνδεθεί σε ένα δίκτυο TSCH θα πρέπει πρώτα να συγχρονιστεί με αυτό. Κατά τη διαδικασία του αρχικού συγχρονισμού ο κόμβος σαρώνει τα διαθέσιμα ραδιοκανάλια μέχρι να λάβει από το επιθυμητό δίκτυο ένα ειδικό πλαίσιο που καλείται Enhanced Beacon (EB). Λόγω της χρήσης πολλαπλών ορθογώνιων καναλιών από το TSCH καθώς επίσης και του μηχανισμού μεταπήδησης καναλιών, η εύρεση ενός EB μπορεί να απαιτήσει σημαντικό χρόνο. Όσο περισσότερο διαρκεί η φάση του αρχικού συγχρονισμού τόσο μεγαλύτερη είναι η κατανάλωση ενέργειας του κόμβου, αφού ο κόμβος θα πρέπει να έχει διαρκώς τον δέκτη του ανοιχτό σε αυτήν τη φάση. Μια αυξημένη κατανάλωση ενέργειας μπορεί να είναι απαγορευτική για τη σύνδεση ενός κόμβου με πολύ αυστηρό όριο στη κατανάλωση ενέργειας, όπως για παράδειγμα ενός κόμβου που τροφοδοτείται από πυκνωτές που η ενέργειά τους είναι περιορισμένη και αναπληρώνεται περιστασιακά από κάποια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Η ταχύτητα του αρχικού συγχρονισμού επηρεάζεται καθοριστικά από τον χρονοπρογραμματισμό των μεταδόσεων των EBs. Ένας μεγαλύτερος ρυθμός μετάδοσης των EBs μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του χρόνου αρχικού συγχρονισμού. Ωστόσο, μια τέτοια αύξηση απαιτεί τυπικά τη δέσμευση επιπλέον επικοινωνιακών πόρων, μειώνοντας έτσι τους πόρους που είναι διαθέσιμοι για τη μετάδοση δεδομένων. Επιπλέον, οδηγεί στην αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας στους κόμβους που μεταδίδουν EBs. Εκτός από την αύξηση του ρυθμού μετάδοσης των EBs, ο αποτελεσματικότερος προγραμματισμός των μεταδόσεων των EBs με κριτήριο την αποφυγή ή τον περιορισμό των συγκρούσεων κατά τη μετάδοσή τους μπορεί επίσης να συμβάλει στην επίτευξη μικρότερου χρόνου αρχικού συγχρονισμού. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις στο πρόβλημα του αρχικού συγχρονισμού. Πρώτον, προτείνεται μια τεχνική βελτιστοποίησης, ονόματι Διαμέριση Διαφημιστικών Χρονοθυρίδων (Advertisement Timeslot Partitioning - ATP), που επιτρέπει την αύξηση του ρυθμού αποστολής των EBs χωρίς τη δέσμευση επιπλέον επικοινωνιακών πόρων. Η ιδέα πίσω από αυτήν την τεχνική πηγάζει από τη δυνατότητα βελτιστοποίησης της χρήσης του διαθέσιμου χρόνου μετάδοσης σε μια διαφημιστική χρονοθυρίδα, δηλαδή σε μια χρονοθυρίδα που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση EBs. Δεύτερον, προτείνεται μια τεχνική Προγραμματισμού Διαφημίσεων δίχως Συγκρούσεις (Collision-Free Advertisement Scheduling - CFAS) που επιτρέπει τη μετάδοση των διαφημίσεων του TSCH, ήτοι των EBs, δίχως συγκρούσεις. Η φιλοσοφία αυτής της τεχνικής είναι ότι οι κόμβοι μπορούν, ιδίως σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, να διαθέτουν μοναδικά αναγνωριστικά τα οποία είναι σε θέση να τα αξιοποιήσουν για να επιλέξουν αυτόνομα διαφορετικές χρονοθυρίδες και ραδιοκανάλια για τη μετάδοση των EBs. Τέλος, μελετάται η σχέση του χρόνου αρχικού συγχρονισμού και του χρόνου σάρωσης, δηλαδή του χρόνου που παραμένει ένας κόμβος σε ένα κανάλι καθώς σαρώνει τα διαθέσιμα κανάλια για την εύρεση ενός ΕΒ. Η μελέτη αυτή διεξάγεται στο πλαίσιο της ελάχιστης (αναγκαίας) διαμόρφωσης (ενός δικτύου) 6TiSCH που ορίστηκε σχετικά πρόσφατα από την ομώνυμη ομάδα εργασίας του IETF. Μέσω της εν λόγω μελέτης καταδεικνύεται η σημαντική επίδραση του χρόνου σάρωσης στον χρόνο αρχικού συγχρονισμού καθώς επίσης ορίζεται και η βέλτιστη τιμή του χρόνου σάρωσης στο πλαίσιο της ελάχιστης διαμόρφωσης 6TiSCH.