27
IEEE ComSoc January 9 2012, Santa Clara 1 Blending highly efficient IEEE802.15.4e LowPower Mesh Networks into the Internet Thomas Watteyne, PhD Senior Networking Design Engineer Linear Technology/Dust Networks

Blending highly efficient IEEE802.15.4e Low-Power Mesh Networks

  • Upload
    others

  • View
    10

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

1

Blending highly efficient IEEE802.15.4e  Low‐Power Mesh Networks

into the Internet

Thomas Watteyne, PhDSenior Networking Design Engineer

Linear Technology/Dust Networks

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

2

CoAP

UDP

6LoWPAN

IEEE802.15.4e

The Internet of Things Stack

IEEE802.15.4

web‐like interaction

Internet Integration

Low‐power reliability

simple hardware

“gap”scheduling

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

3

IEEE802.11

(Wi‐Fi)

IEEE802.15.1

(Bluetooth)

IEEE802.15.4

First Challenge: External Interference

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

4

Second Challenge: Multipath Fading

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

5

ch.11

Second Challenge: Multipath Fading

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

6

ch.11 ch.12

0% reliability 100% reliability

Second Challenge: Multipath Fading

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

7

ch.11

ch.13

ch.15

ch.17

ch.12

ch.14

ch.16

ch.18

ch.19

ch.21

ch.23

ch.25

ch.20

ch.22

ch.24

ch.26

Second Challenge: Multipath Fading

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

88

Measure packet performance

Sensor nodes deployed 

across entire facility (44 

Nodes)

2.5 hop average

Measure performance of:

33 packets (80 bytes) 

per 15 min per mote

3.6 million packets 

over 26 days38 Amps230 Volts

Sensor

Path stability = # packets received# packets sent

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

9

16 Channels on a single path

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

10

A B

Channel Hopping

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

11

IEEE802.15 Task Group 4e‐

Amendment to enhance and add functionality 

to the 802.15.4‐2006 MAC to better support 

the industrial markets

Standard published 04/16/2012

Time Synchronized Channel Hopping‐

Nodes are synchronized

on a common sense 

of time

Nodes send successive packets on different 

frequencies using a pseudo‐random hopping

pattern

IEEE802.15.4e ‐

Time Synchronized Channel Hopping

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

12

16 c

hann

el o

ffset

s

e.g. 31 time slots (310ms)

A

BC

DE

FG

H

I

J

A super‐frame repeats over time‐

Number of slots in a superframe

is tunable

Each cell can be assigned to a pair of motes, in a 

given direction

IEEE802.15.4e ‐

Slotted Structure

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

13

16 c

hann

el o

ffset

s

e.g. 33 time slots (330ms)

A

BC

DE

FG

H

I

J

IEEE802.15.4e ‐

Slotted Structure

• Cells are assigned according to 

application requirements

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

14

16 c

hann

el o

ffset

s

e.g. 33 time slots (330ms)

A

BC

DE

FG

H

I

J

…and energy consumption

IEEE802.15.4e ‐

Trade‐Off

• Cells are assigned according to 

application requirements

• Tunable trade‐off between– packets/second

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

15

16 c

hann

el o

ffset

s

e.g. 33 time slots (330ms)

A

BC

DE

FG

H

I

J

• Cells are assigned according to 

application requirements

• Tunable trade‐off between– packets/second– latency …and energy consumption

IEEE802.15.4e ‐

Trade‐Off

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

16

16 c

hann

el o

ffset

s

e.g. 33 time slots (330ms)

A

BC

DE

FG

H

I

J

• Cells are assigned according to 

application requirements

• Tunable trade‐off between– packets/second– latency– robustness

…and energy consumption

IEEE802.15.4e ‐

Trade‐Off

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

17

Example: 30 mote SmartMesh IP network

2‐hop   27.4 µA  1.48 s latency3‐hop   17.7 µA  2.23 s latency

1‐hop   36.8 µA  0.74 s latency

30 second reporting

50m

Network Manager

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

18

CoAP

UDP

6LoWPAN

IEEE802.15.4e

The Internet of Things Stack

IEEE802.15.4

web‐like interaction

Internet Integration

Low‐power reliability

simple hardware

“gap”scheduling

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

19

Why Standardize?

The Internet

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

20

Every host on the Internet has a unique Internet Protocol (IP) address

A packet with an IP header is routed to its destination over the

Internet

IP is the narrow waist of the Internet‐

“If you speak IP, you are on the Internet”

Evolution of the Internet Protocol‐

IPv4 (1981) is currently used 

32‐bit addresses

“third‐party toolbox”: ARP, DHCP‐

IPv6 (1998) is being deployed

“toolbox”

integrated

128‐bit addresses

IP

TCP, UDP

HTTP, XML, etc.

IEEE802.3IEEE802.11IEEE802.15.4

Internet Protocol version 6 (IPv6)

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

21

MAC IPv6 UDP payload security

127B

IEEE802.15.4

10B 40B 8B 63B 6B

MAC security

10B 4B 107B 6B

6LoWPAN payload

IETF 6LoWPAN

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

22

Mesh Network

Low‐Power Border Router (LBR)

InternetLBR

compaction

inflation

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

23

Interoperation ‐

IPSO

“IP for Smart Objects”

Alliance of companies

Promote the use of IP in Smart Objects

Not a standardization body 

White Papers, interop events…

www.ipso‐alliance.org

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

24

CoAP

UDP

6LoWPAN

IEEE802.15.4e

The Internet of Things Stack

IEEE802.15.4

web‐like interaction

Internet Integration

Low‐power reliability

simple hardware

new! RPL4e*scheduling

*tentative name

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

25

Blending highly efficient IEEE802.15.4e  Low‐Power Mesh Networks

into the Internet

Thomas Watteyne, PhDSenior Networking Design Engineer

Linear Technology/Dust Networks

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

26

Abstract

The Internet of Things revolution is quietly coming, and  with it an epochal turnpoint

in wireless network design. 

Major standardization bodies have been looking at how  wireless multi‐hop networks should operate reliably 

(WirelessHART, IEEE 802.15.4e, IETF RPL) and how they  can integrate within the Internet (IETF 6LoWPAN, CoAP). 

This talk will highlight the challenges faced by wireless  multihop

networks, before showing how communication 

protocols and standards can address these. Numerous  use cases, examples and lessons learnt will be taken from 

open‐source and commercial implementations.

IEEE ComSocJanuary 9 2012, Santa Clara

27

Speaker’s Biography

Thomas Watteyne is a Senior Networking Design Engineer at Dust 

Networks/Linear Technology, a company specializing in ultra‐low 

power and highly reliable Wireless Sensor Networking. He designs

networking solutions based on a variety of M2M standards and 

promotes the use of highly reliable standards such as IEEE802.15.4e. 

Prior to Dust Network, Thomas was a postdoctoral researcher at the 

University of California, Berkeley, working with Prof. Kristofer

Pister. 

He created Berkeley’s OpenWSN

project, an open‐source initiative 

to promote the use of fully standards‐based protocol stacks in M2M 

applications. He obtained his PhD in Computer Science (2008) and

MSc

in Telecommunications (2005) from INSA Lyon, France.