Otimização do protocolo de roteamento RPL para as smart grids, smart cities e IoT

Abstract

Resumo: As tecnologias de Internet das Coisas têm sido adotadas em diversas aplicações. Destaca-se seu uso em redes elétricas inteligentes, incluindo medição de energia, recomposição automática de falhas e integração da geração distribuída. Além disso, essas tecnologias também são aplicadas em cidades inteligentes, como na iluminação pública, no controle de semáforos e no monitoramento ambiental. Estas aplicações possuem características muito específicas, mas existe um ponto em comum, todas necessitam de comunicação para funcionarem ou serem monitoradas. Uma tecnologia que tem ganhado destaque nesse contexto é a rede sem fio conhecida como Wi-SUN FAN, sigla para Wireless Smart Ubiquitous Network– Field Area Network. A especificação desta rede define a implementação e o comportamento de uma rede interoperável baseada em padrões abertos. Os padrões de projeto de redes sem fio utilizados para definir as redes Wi-SUN FAN permitem que estas usufruam de características como segurança, salto de canais de rádio, endereçamento IPv6, dentre outros. Apesar de todas as boas práticas adotadas, estas redes possuem pontos a serem melhorados, tais como: tempo gasto na formação e recuperação da rede após desligamentos, dificuldade de interoperabilidade entre equipamentos de fabricantes diferentes e questões inerentes à mobilidade dos dispositivos na rede. O protocolo de roteamento RPL é um dos padrões adotados nas redes Wi-SUN FAN, sendo responsável pelo roteamento de pacotes na camada de rede. Este trabalho tem como objetivo principal propor e avaliar um mecanismo que otimize o tempo de convergência do protocolo RPL e consequentemente reduza o tempo de formação da rede. As questões de interoperabilidade e de mobilidade não são abordadas neste trabalho. Este trabalho foi motivado inicialmente pelos estudos e desenvolvimentos efetuados sobre a rede inteligente da Copel em Ipiranga-PR. Sobre a rede de Ipiranga são desenvolvidas e demonstradas algumas soluções de software para viabilizar o uso compartilhado das redes inteligentes de última milha com aplicações de cidades inteligentes e Internet das Coisas. Em seguida, motivado por dados da bibliografia revisada e do elevado tempo de inicialização verificado na rede de Ipiranga, é conduzida uma investigação para verificar a influência dos parâmetros de configuração do protocolo de roteamento RPL no seu tempo de convergência e é idealizado o mecanismo de otimização. O mecanismo de otimização proposto neste trabalho é avaliado por meio de simulações e experimentos. Os resultados obtidos indicam que o mecanismo pode reduzir o tempo de convergência do protocolo RPL original em até 50%. Ainda, possui baixa complexidade de implementação e contribui para reduzir o ciclo de trabalho e o consumo de energia da rede, visto que reduz o número de mensagens transmitidas. Por fim, os resultados das investigações indicam que a seleção adequada de parâmetros de configuração do protocolo RPL também contribui com a redução do tempo de formação das redes que fazem uso deste protocolo

Abstract: Internet of Things technologies have been adopted in various applications. Their use stands out in smart power grids, including energy metering, automatic fault recovery, and distributed generation integration. Additionally, these technologies are also applied in smart cities, such as public lighting, traffic light control, and environmental monitoring. These applications have very specific characteristics, but they share a common point: all require communication to function or be monitored. A technology that has gained prominence in this context is the wireless network known as Wi-SUN FAN, an acronym for Wireless Smart Ubiquitous Network– Field Area Network. The specification of this network defines the implementation and behavior of an interoperable network based on open standards. The wireless network design standards used to define Wi-SUN FANnetworks allow them to benefit from features such as security, radio channel hopping, IPv6 addressing, among others. Despite all the good practices adopted, these networks have points that need to be improved, such as time spent on network formation and recovery after shutdowns, difficulties in interoperability between equipment from different manufacturers, and challenges inherent to device mobility within the network. The RPL routing protocol is one of the standards adopted in Wi-SUN FAN networks, being responsible for packet routing at the network layer. The main objective of this work is to propose and evaluate a mechanism that optimizes the convergence time of the RPL protocol and consequently reduces network formation time. Interoperability and mobility issues are not addressed in this work. This work was initially motivated by the studies and developments carried out on Copel’s smart grid in Ipiranga-PR. Based on the Ipiranga network, some software solutions are developed and demonstrated to enable the shared use of last-mile smart grids with smart city and IoT applications. Subsequently, motivated by data from the reviewed literature and the high initialization time observed in the Ipiranga network, an investigation is conducted to assess the influence of RPL routing protocol configuration parameters on its convergence time, leading to the design of the optimization mechanism. The optimization mechanism proposed in this work is evaluated through simulations and experiments. The results obtained indicate that the mechanism can reduce the convergence time of the default RPL protocol by up to 50%. Furthermore, it has low implementation complexity and contributes to reducing the network’s duty cycle and energy consumption, since it reduces the number of transmitted messages. Finally, the results of investigation indicates that the appropriate selection of RPL protocol configuration parameters also contributes to reducing the formation time of networks that use this protocol