Estratégia de encontro paralelo para associação de nós em redes Wi-SUN FAN

Abstract

Resumo: A crescente demanda por conectividade e soluções de baixo custo tem levado à ampla adoção de comunicações de baixa taxa de dados e baixo consumo de energia. O padrão Wi-SUN FAN (Wireless Smart Ubiquitous Network Field Area Network) destaca-se por possibilitar conexões em larga escala entre dispositivos inteligentes em redes de serviços públicos e cidades inteligentes. Projetado para Redes de Baixa Potência e com Perdas (LLNs, do inglês Low Power and Lossy Network), o Wi-SUN FAN suporta a formação de múltiplas Redes de Área Pessoal (PANs, do inglês Personal Area Network) e topologias em malha com transmissões multi-salto e salto de canal, utilizando protocolos abertos compa tíveis com IEEE 802.15.4. No entanto, o processo de associação de nós, que é dividido em cinco estados de junção, frequentemente resulta em tempos de conexão prolongados, par ticularmente em redes multi-saltos, o que compromete a escalabilidade e a confiabilidade da rede. Esta tese analisa os fatores que influenciam esses atrasos, com ênfase particular no Estado de Junção 1 (EJ1), que utiliza comunicação assíncrona e o algoritmo trickle timer para agendar pacotes de Anúncio PAN (PA, do inglês PAN Advertisement). Depen dendo da configuração padrão, isso pode levar a intervalos de transmissão excessivamente longos. Para mitigar esse problema, é apresentada uma abordagem baseada na formação de clusters sincronizados entre nós não associados, explorando pacotes de Solicitação de Anúncio PAN (PAS, do inglês PAN Advertisement Solicit) e a estratégia de Encontro Pa ralelo (EP) para disseminar rapidamente as informações da rede. O algoritmo proposto, EP Wi-SUN FAN, foi avaliado por meio de simulações em diversas topologias de rede, demonstrando melhorias significativas em cenários lineares, totalmente conectados e em malha. Os ganhos mais expressivos foram observados na topologia linear, com reduções de até 71,22% no tempo de associação e 59,56% no consumo de energia durante o EJ1

Abstract: The growing demand for connectivity and cost-effective solutions has led to the wi despread adoption of low-data-rate and low-power communications. The Wi-SUN FAN (Wireless Smart Ubiquitous Network Field Area Network) standard stands out for ena bling large-scale connections among smart devices in utility networks and smart cities. Designed for Low-Power and Lossy Networks (LLNs), Wi-SUN FAN supports the for mation of multiple Personal Area Networks (PANs) and mesh topologies with multi-hop transmissions and channel hopping, using open protocols compatible with IEEE 802.15.4. However, the node association process, divided into five connection states, often results in prolonged connection times, particularly in multi-hop networks, which undermines both scalability and reliability. This thesis analyses the factors influencing these delays, with particular emphasis on Join State 1 (JS1), which employs asynchronous communication and the trickle timer algorithm to schedule PAN Advertisement (PA) packets. Depending on the default configuration, this may lead to excessively long transmission intervals. To mitigate this problem, an approach based on the formation of synchronized clusters among unassociated nodes is proposed, leveraging PAN Advertisement Solicit (PAS) packets and the Parallel Rendezvous (PR) strategy to accelerate network information dissemination. The proposed algorithm, PR Wi-SUN FAN, was evaluated through simulations in vari ous network topologies, demonstrating notable improvements in linear, fully connected, and mesh scenarios. The most significant gains are observed in the linear topology, with reductions of up to 71.22% in association time and 59.56% in energy consumption during JS1