MQTT and IOT-satellite: analyzing perfomance and potential

This thesis investigates the integration of the MQTT protocol in IoT Satellite systems, analyzing its performance, to the different conditions and difficulties that a satellite com- munication can brings. The Internet of Things (IoT) represents a rapidly growing tech- nology, enabling device interconnection on a global scale. However, traditional terrestrial networks often fail to provide reliable connectivity in remote or disaster-affected areas. In this context, satellite communication emerges as a promising solution, offering global cov- erage and overcoming geographical limitations. The MQTT protocol, one of the most used IOT-protocol, working with publish-subscribe messaging model, is particularly suitable for resource-constrained and high-latency environments typical of satellite communica- tions, and has been already studied in several studies, that showed how this protocol will be probably the best option for the future IOT-Satellite coommunication. The research will be carried out using Opensand, a satellite network emulator, to simulate various scenarios and assess MQTT’s effectiveness under realistic conditions. Experiments focus on crucial aspects such as latency management, message delivery reliability, and overall system efficiency. In particular will be studied how these parameter can change as a consequence of the modification of the structure of the MQTT net. It will be studied how the position of the broker (if on the gateway or on another entity-net) could affect IOT communication and witch position could lead to better performance. Then it will be studied even in two different configuration: one with the gateway builded up on the Satellite and one with the standard gateway as an earth entity. All of these different configuration will be tested with several experiments with QoS=0,1 and 2; to show how these parameter can modify network performance. A total of 72 experiments will be held and in the final chapter will be shown which parameter can make the satellite broadcast as good as possible,and make it an increasingly accessible reality in the near future.

Questa tesi indaga l’integrazione del protocolo MQTT nei sistemi satellitari IoT, analiz- zando le sue prestazioni in relazione alle diverse condizioni e difficoltà che la comunicazione satellitare può presentare. L’IoT( Internet of Things) rappresenta una tecnologia in rap- ida crescita, che consente l’interconnessione dei dispositivi su scala globale. Tuttavia, le reti terrestri tradizionali spesso non riescono a fornire connettività affidabile in aree remote o danneggiate. In questo contesto, la comunicazione satellitare emerge come una soluzione promettente, offrendo copertura globale e superando le limitazioni geografiche. Il protocolo MQTT, uno dei protocoli IoT più utilizzati, funziona con un modello di mes- saggistica publish-subscribe ed è particolarmente adatto per ambienti con risorse limitate e alta latenza, tipici delle comunicazioni satellitari. Già studiato in diverse ricerche, si è dimostrato come questo protocolo possa essere probabilmente la migliore opzione per la futura comunicazione IoT-satellitare. La ricerca sarà condotta utilizzando Opensand, un emulatore di rete satellitare, per simulare vari scenari e valutare l’efficacia di MQTT in condizioni realistiche. Gli esperimenti si concentreranno su aspetti cruciali come la gestione della latenza, l’affidabilità della consegna dei messaggi e l’efficienza complessiva del sistema. In particolare, si studierà come questi parametri possano cambiare in con- seguenza della modifica della struttura della rete MQTT. Si analizzerà come la posizione del broker (se sul gateway o su un’altra entità di rete) possa influenzare la comunicazione IoT e quale posizione possa portare a migliori prestazioni. Inoltre, saranno esaminate due configurazioni diverse: una con il gateway integrato nel satellite e l’altra con un gate- way standard come entità terrestre. Tutte queste diverse configurazioni saranno testate attraverso vari esperimenti con QoS=0, 1 e 2, per dimostrare come questi parametri pos- sano modificare le prestazioni della rete. Saranno condotti un totale di 72 esperimenti e nel capitolo finale saranno evidenziati i parametri che possono ottimizzare la trasmissione satellitare e renderla una realtà sempre più fruibile nel prossimo futuro.