The Master’s Thesis deals with a ZigBee technology and its devices working each other in wireless personal area network. The ZigBee and its advantages are compared with other wireless protocols working in ISM bands. A first part deals with a topology of IEEE 802.4.15 WPAN and the ZigBee features. Types and format of the ZigBee data-frame are mentioned. A Second part of this thesis describes a design and testing of the ZigBee devices. Results of this thesis are demonstrated on ZMU (ZigBee Modules Utility) program that has been developed for the testing of this technology.

Massive deployment of diverse ultra-low power wireless devices necessitates the rapid development of communication protocols. Software Defined Radio (SDR) provides a flexible platform for deploying and evaluating real-world performance of these protocols. But SDR platform based communication systems suffer from high and unpredictable delays. There is a lack of comprehensive understanding of the characteristics of the delays experienced by these systems for new SDR platforms like LimeSDR. This knowledge gap needs to be filled in order to reduce these delays and better design protocols which can take advantage of these platforms. We design a GNU Radio based IEEE 802.15.4 experimental setup, where the data path is time-stamped at various points of interest to get a comprehensive understanding of the characteristics of the delays. Our analysis shows GNU Radio processing and LimeSDR buffering delay are the major delays in these data paths. We try to decrease the LimeSDR buffering delay by decreasing the USB transfer size but it comes at the cost of increased processing overhead. The USB transfer packet size is modified to investigate which USB transfer size provides the best balance between buffering delay and the processing overhead across two different host computers. Our experiments show that for the best-measured configuration the mean and jitter of latency decreases by 37% and 40% respectively for the host computer with higher processing resources. We also show that the throughput is not affected by these modifications. Higher processing resources help in handling higher processing overhead and can better reduce the buffering delay. / Stora installationer av heterogena extremt energisnåla trådlösa enheter ställer krav på snabb utveckling av kommunikationsprotokoll. Mjukvarubaserad radio (Software Defined Radio, SDR) tillhandahåller en flexibel plattform för att installera och utvärdera faktisk prestanda för dessa protokoll. Men SDR-baserade system har problem med stora och oförutsägbara fördröjningar. Verklig förståelse av hur dessa fördröjningar beter sig i nya plattform som LimeSDR saknas. Dessa kunskapsbrister behöver överbryggas för att kunna minska fördröjningarna och för att mer framgångsrikt kunna designa protokoll som drar nytta av de nya plattformarna. Vi skapar en försöksuppställning för IEEE 802.15.4 baserad på GNU Radio. Data som passerar systemet tidsstämplas för att ge underlag till att förstå fördröjningarnas egenskaper. Vår analys visar att fördröjningarna främst kommer från processande i GNU-radion och buffertider för LimeSDR. Vi försöker minska buffertiderna för LimeSDR genom att minska paketstorleken för USB-överföring, men det kommer till priset av ökade bearbetningskostnader. Paketstorleken för USB-överföring modifieras för att på två olika testdatorer undersöka den bästa balansen mellan buffertider och bearbetningskostnader. Våra experiment visar att för att den mest noggrant undersökta försöksuppställningen så minskar medelvärdet och jittret för fördröjningarna med 37% och 40% för testdatorn med mest beräkningskraft. Vi visar också att genomströmningen inte påverkas av dessa ändringar. Med mer beräkningskraft kan de ökade bearbetningskostnader hanteras, och buffertiderna kan förkortas mer effektivt.

<p>This thesis work started with an extensive literature study in several areas, ZigBee, instruments and measuring methods. The knowledge was implemented in use with the ZigBee modules from the two manufacturers ITN and Chipcon along with ZigBee Software Stack. Measuring methods were developed and software in ZigBee software Stack was developed to use in the ZigBee modules for the measurements. Developing measurement methods and performing measurements was an iterative process for the different measurements. The aim was to characterize the ZigBee modules in the most important areas during the extent of this master thesis work.</p>

This thesis work started with an extensive literature study in several areas, ZigBee, instruments and measuring methods. The knowledge was implemented in use with the ZigBee modules from the two manufacturers ITN and Chipcon along with ZigBee Software Stack. Measuring methods were developed and software in ZigBee software Stack was developed to use in the ZigBee modules for the measurements. Developing measurement methods and performing measurements was an iterative process for the different measurements. The aim was to characterize the ZigBee modules in the most important areas during the extent of this master thesis work.

In an IEEE802.15.4 beacon-enabled wireless personal area network (WPAN), the PAN coordinator can allocate slots using contention free-GTSs (guaranteed the time slots) for admitted devices. However, due to fixed slot size, the bandwidth waste problem may arise. Hence, reference [6] proposed the multi-beacon superframe structure (MBS) to overcome this problem. However, in [6], the structure of sub-beacon intervals in a superframe is non-adaptive. Therefore, this thesis proposes an enhanced multi-beacon superframe structure (EMBS). In EMBS, a PAN coordinator employs the greedy SBI-allocation algorithm to adjust a superframe structure according to the traffic demand of admitted devices such that a superframe can consist of a number of different types of sub-beacon intervals (SBIs). Simulation results reveal that a WPAN using EMBS can attain higher bandwidth utilization than a WPAN using 802.15.4 or MBS.

Mobiles, pouvant changer d'environnements au cours du temps, et de milieu pour la transmission des données et de forme de topologie, les capteurs doivent s'adapter au contexte où ils se trouvent afin d'optimiser les mécanismes qu'ils mettent en œuvre. Dans la première partie, nous proposons un mécanisme pour adapter l'architecture d'un réseau de capteurs dynamiquement en fonction du contexte et comprenant la détection dynamique d'un changement de contexte, la détection dynamique du nouveau, l'adaptation dynamique au niveau des trois couches responsables de la gestion des liens de communication en conséquence, le tout sous contrainte de consommation d'énergie. Le travail mené dans cette première partie a d'emblée posé la question de la détection du contexte. C'est une question assez difficile car elle est mal définie. L'objet de la deuxième partie est d'aborder la reconnaissance à la volée de la technologie utilisée par les réseaux émettant du trafic concurrent au réseau de capteurs. Le mécanisme proposé, FIM, identifie la cause d'interférences à partir de modèles d'erreurs observées dans les paquets de données. La détection du contexte permet aux nœuds du réseau de capteurs d'obtenir des informations sur l'environnement. Certains nœuds doivent avoir une connaissance plus fiable de l'environnement que d'autres. Comment récupérer l'information de nœuds voisins, sélectionner ceux de qui on la récupère et ne garder que ce qui nous semble sûr et utile sont les questions qui sont abordées dans la troisième partie. Nous proposons un mécanisme qui permet de décider dynamiquement si des mécanismes de docition doivent être utilisés ou pas

Le nombre et la complexité croissante des applications qui sont intégrées dans des objets mobiles communicants sans fil (téléphone mobile, PDA, etc.) implique une augmentation de la consommation d'énergie. Afin de limiter l'impact de la pollution due aux déchets des batteries et des émissions de CO2, il est important de procéder à une optimisation de la consommation d'énergie de ces appareils communicants. Cette thèse porte sur l'efficacité énergétique dans les réseaux de capteurs. Dans cette étude, nous proposons de nouvelles approches pour gérer efficacement les objets communicants mobiles. Tout d'abord, nous proposons une architecture globale de réseau de capteurs et une nouvelle approche de gestion de la mobilité économe en énergie pour les appareils terminaux de type IEEE 802.15.4/ZigBee. Cette approche est basée sur l'indicateur de la qualité de lien (LQI) et met en œuvre un algorithme spéculatif pour déterminer le prochain coordinateur. Nous avons ainsi proposé et évalué deux algorithmes spéculatifs différents. Ensuite, nous étudions et évaluons l'efficacité énergétique lors de l'utilisation d'un algorithme d'adaptation de débit prenant en compte les conditions du canal de communication. Nous proposons d'abord une approche mixte combinant un nouvel algorithme d'adaptation de débit et notre approche de gestion de la mobilité. Ensuite, nous proposons et évaluons un algorithme d'adaptation de débit hybride qui repose sur une estimation plus précise du canal de liaison. Les différentes simulations effectuées tout au long de ce travail montrent l'efficacité énergétique des approches proposées ainsi que l'amélioration de la connectivité des nœuds.

Les réseaux de capteurs suscitent un engouement croissant du fait du grand nombre d'applications mais également des défis inhérents à ce genre de réseaux. Le standard IEEE 802.15.4 a été proposé afin de standardiser les couches physique et MAC. Dans ce travail nous avons dans un premier temps proposé une variante multi-canal pour le standard 802.15.4 permettant de résoudre le problème de collisions de supertrames. Pour cela nous proposons de construire un réseau en arbre avec la particularité que chaque cellule du réseau utilise un canal différent permettant ainsi une réduction conséquente des interférences et augmente la capacité du réseau. Nous avons également introduit un nouveau mécanisme de construction de topologie, d'allocation de canal et d'ordonnancement de supertrames nécessaire au bon fonctionnement d'une telle solution. Dans un deuxième temps nous avons analysé l'impact des différents paramètres de la méthode d'accès du standard. Nous avons mis en exergue les faiblesses de la méthode d'accès dont les performances baissent drastiquement pour des réseaux trop importants. Partant de ce constat, nous avons proposé des mécanismes d'auto-adaptation pour la méthode d'accès du standard. Ces derniers permettent d'adapter dynamiquement la taille des fenêtres de contention en fonction des conditions de trafic observées sur le canal. Le calcul des valeurs optimales est exécuté par chaque coordinateur pour résoudre le problème de surdité. Ces mécanismes sont distribués et convergent rapidement même en cas de trafic en rafales.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2016-03-31T22:51:29Z No. of bitstreams: 1 EridenesFernandesDeQueiroz_DISSERT.pdf: 2172856 bytes, checksum: c0623801f61f91802fc4d7deb05fbca0 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2016-04-04T20:18:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 EridenesFernandesDeQueiroz_DISSERT.pdf: 2172856 bytes, checksum: c0623801f61f91802fc4d7deb05fbca0 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-04T20:18:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EridenesFernandesDeQueiroz_DISSERT.pdf: 2172856 bytes, checksum: c0623801f61f91802fc4d7deb05fbca0 (MD5) Previous issue date: 2015-05-28 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior - CAPES / Este trabalho tem como objetivo propor, implementar e validar um modelo para o consumo de energia em n?s de uma Rede de Sensores Sem Fio (RSSF). O modelo proposto foi implementada uma m?quina de estados finitos utilizando a ferramenta de modelagem e simula??o SystemC-AMS com o objetivo de simular o consumo de energia de um n?-sensor em um ambiente de comunica??o real. A mesma m?quina de estados tamb?m foi implementada na plataforma Stateflow com o objetivo de comparar os resultados obtidos na simula??o com SystemC-AMS. O consumo de energia nos diferentes estados de opera??o foi determinado medindo a corrente de dreno utilizada para aquisi??o de dados do sensor e para a comunica??o com os outros n?s da rede. Al?m de simular o consumo de energia, o ambiente de simula??o tamb?m utiliza um modelo de descarga para fazer a an?lise da situa??o energ?tica atual da bateria. Esta an?lise resulta em um gr?fico de varia??o de tens?o e estado de carga da bateria (SOC). Por fim, ? realizado um estudo de caso do consumo de energia em RSSF aplicado a aquicultura. Tal estudo tem como objetivo analisar o modo de aquisi??o e comunica??o de dados da rede. Com esta an?lise ? poss?vel fazer ajustes nos n?-sensores de modo a reduzir o consumo de energia total da rede. / This work aims at modeling power consumption at the nodes of a Wireless Sensor Network (WSN). For doing so, a finite state machine was implemented by means of SystemC-AMS and Stateflow modeling and simulation tools. In order to achieve this goal, communication data in a WSN were collected. Based on the collected data, a simulation environment for power consumption characterization, which aimed at describing the network operation, was developed. Other than performing power consumption simulation, this environment also takes into account a discharging model as to analyze the battery charge level at any given moment. Such analysis result in a graph illustrating the battery voltage variations as well as its state of charge (SOC). Finally, a case study of the WSN power consumption aims to analyze the acquisition mode and network data communication. With this analysis, it is possible make adjustments in node-sensors to reduce the total power consumption of the network.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2016-08-09T22:51:26Z No. of bitstreams: 1 RodrigoSoaresSemente_TESE.pdf: 2370466 bytes, checksum: 49b2c032e886eb4cc9db1b6d08d9b617 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2016-08-11T00:12:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 RodrigoSoaresSemente_TESE.pdf: 2370466 bytes, checksum: 49b2c032e886eb4cc9db1b6d08d9b617 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-11T00:12:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RodrigoSoaresSemente_TESE.pdf: 2370466 bytes, checksum: 49b2c032e886eb4cc9db1b6d08d9b617 (MD5) Previous issue date: 2015-12-07 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico (CNPq) / A criptografia ? a principal forma de obter a seguran?a em qualquer rede. Mesmo em redes com grandes restri??es de consumo de energia, processamento e mem?ria, como as Redes de Sensores Sem Fio isso n?o ? diferente. Objetivando melhorar o desempenho da criptografia, a seguran?a e o tempo de vida nessas redes, ser? proposto um novo algoritmo criptogr?fico desenvolvido atrav?s da t?cnica de Programa??o Gen?tica. Para o desenvolvimento de crit?rios de aptid?o do algoritmo criptogr?fico pelo algoritmo de Programa??o Gen?tica, nove algoritmos criptogr?ficos diferentes foram testados: AES, Blowfish, DES, RC6, Skipjack, Twofish, T-DES, XTEA e XXTEA. A partir desses testes uma fun??o de aptid?o foi desenvolvida levando em conta o tempo de execu??o, o espa?o ocupado em mem?ria, desvio m?ximo, desvio irregular, coeficiente de correla??o, e efeito avalanche. A partir do algoritmo de Programa??o Gen?tica otimizado foi criado o CRYSEED, um algoritmo para dispositivos de 8-bits, otimizado pra Redes de Sensores Sem Fio, i.e. baixa complexidade, pouco consumo de mem?ria e boa seguran?a para as aplica??es de sensoriamento e instrumenta??o. / Cryptography is the main form to obtain security in any network. Even in networks with great energy consumption restrictions, processing and memory limitations, as the Wireless Sensors Networks (WSN), this is no different. Aiming to improve the cryptography performance, security and the lifetime of these networks, we propose a new cryptographic algorithm developed through the Genetic Programming (GP) techniques. For the development of the cryptographic algorithm?s fitness criteria, established by the genetic GP, nine new cryptographic algorithms were tested: AES, Blowfish, DES, RC6, Skipjack, Twofish, T-DES, XTEA and XXTEA. Starting from these tests, fitness functions was build taking into account the execution time, occupied memory space, maximum deviation, irregular deviation and correlation coefficient. After obtaining the genetic GP, the CRYSEED and CRYSEED2 was created, algorithms for the 8-bits devices, optimized for WSNs, i.e., with low complexity, few memory consumption and good security for sensing and instrumentation applications.