In these years communication between devices is becoming increasingly present in our lives. If we think about mobile phones or laptops, these de- vices couldn’t even fullfill their purpose without a working wireless connec- tion. Other fields where wireless networks are of paramount importance are for example the Internet of Things world and wireless data collection from sensors. The most common wireless technologies can be divided roughly into high performance and low power technologies, two examples of high perfor- mance network technologies are WiFi and LTE while two low power network technologies are ZigBee or LoRa. If we analyze the end-to-end latency of these technologies, we find that the latency of a WiFi network is around 1-5ms on a non congested network, but can quickly rise to 1s or more in presence of heavy traffic. Meanwhile a ZigBee network have a normal latency of 50-350ms which just like WiFi, can rise of several orders of magnitude in case of a congested network. In this thesis we present TDMH, a wireless communication stack able to provide bounded latency, which means that the worst case network latency depends only on the network size and TDMH configuration and is independent from the network load. The bounded latency makes TDMH suitable for real time applications like industrial control. TDMH is capable of managing multi-hop wireless mesh networks and its architecture allows to switch off the radio whenever a device doesn’t need to transmit or receive packets, this enables low power applications such as being employed on battery powered devices. The author’s contribution to TDMH consists mainly in the scheduling and routing part of the network stack, which is the main focus of this thesis. The athor is responsible also for the design and implementation of several TDMH modules which are essential to the network stack operation.

In questi anni la comunicazione tra dispositivi è diventata sempre piú presente nelle nostre vite. Ad esempio i telefoni cellulari o i computer portatili perderebbero di funzionalitá se non ci fosse a disposizione una connessione wireless. Altri campi in cui le reti wireless sono fondamentali sono il mondo dell’Internet of Things e la raccolta dati da sensori wireless. Le tecnologie wireless piú diffuse si possono categorizzare in reti ad alte prestazioni e reti low power, due esempi di tecnologie ad alte prestazioni sono il WiFi e LTE, mentre due tecnologie low power sono ZigBee e LoRa. Se analizziamo la latenza di rete di queste tecnologie, troviamo dei valori intorno a 1-5ms per una rete WiFi non congestionata, ma questi valori pos- sono arrivare a 1s o piú in presenza di traffico elevato. Mentre una rete ZigBee ha una latenza nominale di 50-350ms, che proprio come per il WiFi puó aumentare di diversi ordini di grandezza in una rete sotto carico. In questa tesi viene presentato TDMH, uno stack di comunicazione wire- less in grado di fornire una latenza limitata, ovvero una latenza di rete nel caso peggiore che dipende solo dalla dimensione della rete e dalla configu- razione di TDMH e soprattutto è indipendente dal carico di rete. La latenza limitata rende TDMH adatto per applicazioni real time come il controllo industriale. TDMH è in grado di gestire reti wireless mesh con struttura multi-hop, inoltre TDMH permette di spegnere la radio quando un dispositivo non deve trasmettere o ricevere pacchetti, questo consente di risparmiare molta ener- gia, aprendo possibilitá ad applicazioni low power, ad esempio su dispositivi alimentati a batteria. Il contributo dell’autore a TDMH consiste principalmente nella parte di scheduling e routing dello stack di rete, questa tesi si concentrerá princi- palmente su questi due aspetti. L’autore è anche responsabile del design e dell’implementazione di alcuni moduli di TDMH che sono essenziali al fun- zionamento complessivo dello stack di rete.

A time deterministic communication stack for mesh networks

IZZO, FEDERICO AMEDEO
2018/2019

Abstract

In these years communication between devices is becoming increasingly present in our lives. If we think about mobile phones or laptops, these de- vices couldn’t even fullfill their purpose without a working wireless connec- tion. Other fields where wireless networks are of paramount importance are for example the Internet of Things world and wireless data collection from sensors. The most common wireless technologies can be divided roughly into high performance and low power technologies, two examples of high perfor- mance network technologies are WiFi and LTE while two low power network technologies are ZigBee or LoRa. If we analyze the end-to-end latency of these technologies, we find that the latency of a WiFi network is around 1-5ms on a non congested network, but can quickly rise to 1s or more in presence of heavy traffic. Meanwhile a ZigBee network have a normal latency of 50-350ms which just like WiFi, can rise of several orders of magnitude in case of a congested network. In this thesis we present TDMH, a wireless communication stack able to provide bounded latency, which means that the worst case network latency depends only on the network size and TDMH configuration and is independent from the network load. The bounded latency makes TDMH suitable for real time applications like industrial control. TDMH is capable of managing multi-hop wireless mesh networks and its architecture allows to switch off the radio whenever a device doesn’t need to transmit or receive packets, this enables low power applications such as being employed on battery powered devices. The author’s contribution to TDMH consists mainly in the scheduling and routing part of the network stack, which is the main focus of this thesis. The athor is responsible also for the design and implementation of several TDMH modules which are essential to the network stack operation.
TERRANEO, FEDERICO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
25-lug-2019
2018/2019
In questi anni la comunicazione tra dispositivi è diventata sempre piú presente nelle nostre vite. Ad esempio i telefoni cellulari o i computer portatili perderebbero di funzionalitá se non ci fosse a disposizione una connessione wireless. Altri campi in cui le reti wireless sono fondamentali sono il mondo dell’Internet of Things e la raccolta dati da sensori wireless. Le tecnologie wireless piú diffuse si possono categorizzare in reti ad alte prestazioni e reti low power, due esempi di tecnologie ad alte prestazioni sono il WiFi e LTE, mentre due tecnologie low power sono ZigBee e LoRa. Se analizziamo la latenza di rete di queste tecnologie, troviamo dei valori intorno a 1-5ms per una rete WiFi non congestionata, ma questi valori pos- sono arrivare a 1s o piú in presenza di traffico elevato. Mentre una rete ZigBee ha una latenza nominale di 50-350ms, che proprio come per il WiFi puó aumentare di diversi ordini di grandezza in una rete sotto carico. In questa tesi viene presentato TDMH, uno stack di comunicazione wire- less in grado di fornire una latenza limitata, ovvero una latenza di rete nel caso peggiore che dipende solo dalla dimensione della rete e dalla configu- razione di TDMH e soprattutto è indipendente dal carico di rete. La latenza limitata rende TDMH adatto per applicazioni real time come il controllo industriale. TDMH è in grado di gestire reti wireless mesh con struttura multi-hop, inoltre TDMH permette di spegnere la radio quando un dispositivo non deve trasmettere o ricevere pacchetti, questo consente di risparmiare molta ener- gia, aprendo possibilitá ad applicazioni low power, ad esempio su dispositivi alimentati a batteria. Il contributo dell’autore a TDMH consiste principalmente nella parte di scheduling e routing dello stack di rete, questa tesi si concentrerá princi- palmente su questi due aspetti. L’autore è anche responsabile del design e dell’implementazione di alcuni moduli di TDMH che sono essenziali al fun- zionamento complessivo dello stack di rete.
Tesi di laurea Magistrale
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