Contributions to IPv6 support over low rate low power wireless networks

Abstract

(English) The main objective of this thesis is contributing to IPv6 support over Low Rate Low Power Wireless Networks (LRLPWNs). One family of LRLPWNs is Low Power Wide Area Networks (LPWANs), which includes technologies like LoRaWAN and Sigfox. LPWANs do not support IPv6 out-of-the-box. To this end, a framework called Static Context Header Compression and fragmentation (SCHC) was created by the IETF. SCHC follows a technology-agnostic approach and, as a new framework, performance and optimal configuration values were unknown.

In this thesis, all SCHC fragmentation modes over LoRaWAN were evaluated and their performance was obtained in terms of channel occupancy, goodput and delay, for packet sizes required for IPv6. One mode outperforms for reliable communication: the SCHC ACK-on-Error mode.

LPWANs have a bottle-neck in downlink traffic, i.e., from gateway to device, mainly due to duty-cycle restrictions and network capacity. Therefore, optimizing the downlink messages number and size becomes critical, especially for Acknowledgement (ACK) traffic. A mathematical model of the SCHC ACK-on-Error ACK burden was built, and the configuration values for the main SCHC ACK-on-Error parameters were proposed, optimized over Sigfox and LoRaWAN, and its advantages quantified. ACK pooling was defined, i.e., pooling a large number of errors in a single ACK, which provides benefits for high error rates, while smaller ACKs perform better for low error rates.

To minimize and optimize the ACK size, this thesis evaluated the Receiver-Feedback Technique (RFT) of SCHC, i.e., Compressed Bitmap, and compared its performance with 5 alternative RFTs that are proposed in this thesis. All RFTs were evaluated regarding the ACK size, number of L2 frames per ACK and Time-on-Air, using an uncompressed bitmap as benchmark RFT. Results were obtained for all LoRaWAN world regions. Tests were performed using Sim-RFT, a channel error simulator developed in this thesis.

Following the development of the SCHC framework, technology-specific versions of SCHC were designed for specific LPWANs. In this thesis, the adaptation of SCHC over Sigfox has been deeply studied, providing mathematical models for the number of messages and ACKs, packet transfer time, and proofed in live networks. Results are obtained covering all Sigfox world regions, and validating SCHC over Sigfox application feasibility. As part of the results, an excess of ACK traffic was found, which provides further optimization opportunities.

Since LPWAN devices are typically battery-powered, an energy consumption model of SCHC Packet transfers over Sigfox was developed and validated on real hardware. Two strategies were evaluated and results are provided for average current and energy consumption, device lifetime, depending on packet size and transfer period.

Another family of LRLPWNs are low rate channels over Wake-Up Radio (WuR) for Cross Technology Communication (CTC). In this thesis is presented the design, implementation and evaluation of an adaptation layer to provide IPv6 support over WuR-CTC systems, by adapting the SCHC framework. Among others, experimental results show that this solution allows transferring packets from IEEE 802.15.4 to IEEE 802.11 devices, without a gateway. Moreover, the designed solution supports latency-stringent applications in smart environments, where a human in the loop expects real-time interaction between devices.

Results of this thesis shown that the ACK burden of SCHC ACK-on-Error increases depending on the error rate. ACK pooling provides better results for high error rates. Therefore, the Compound ACK message was proposed and adopted by the IETF LPWAN WG, allowing aggregated receiver feedback in a single message, reducing the total number of ACKs. The Compound ACK provides a pooling of errors for high error rates, and smaller ACKs for low rates, helping to alleviate the downlink bottle-neck. Moreover, a LPWAN Convergence SCHC Profile is presented and explored.

(Español) El principal objetivo de esta tesis es contribuir al soporte de IPv6 sobre Redes Inalámbricas de Baja Velocidad y Baja Potencia (LRLPWN). Una familia de LRLPWN son las redes de área amplia de baja potencia (LPWAN), que incluyen tecnologías como LoRaWAN y Sigfox. Las LPWAN no soportan IPv6 de fábrica. Con este fin, la IETF creó un sistema llamado Compresión de encabezados de contexto estático y fragmentación (SCHC). SCHC tiene un enfoque independiente de la tecnología y, como un nuevo sistema, se desconocían su rendimiento y sus valores de configuración óptimos.

En esta tesis se evaluaron todos los modos de fragmentación SCHC sobre LoRaWAN y se obtuvo su desempeño en términos de ocupación de canal, goodput y retardo, para los tamaños de paquete requeridos por IPv6. Un modo supera a los demás para comunicación confiable: el modo SCHC ACK-on-Error.

Las LPWAN tienen un cuello de botella en el tráfico de descendente debido a las restricciones del ciclo de trabajo y la capacidad de la red. Por lo tanto, optimizar el número y el tamaño de los mensajes descendente se vuelve fundamental, especialmente para el tráfico de confirmación (ACK). Se construyó un modelo matemático de la carga de ACK de SCHC ACK-on-Error y se propusieron los valores de configuración para los principales parámetros de SCHC ACK-on-Error, optimizados sobre Sigfox y LoRaWAN, y se cuantificaron sus ventajas.

Para minimizar y optimizar el tamaño del ACK, esta tesis evaluó la técnica de retroalimentación del receptor (RFT) de SCHC, es decir, mapa de bits comprimido, y comparó su rendimiento con 5 RFT alternativos que se proponen en esta tesis. Todos los RFT se evaluaron con respecto al tamaño de ACK, el número de datagramas L2 por ACK y el tiempo en el aire, utilizando un mapa de bits sin comprimir como RFT de referencia. Se obtuvieron resultados para todas las regiones del mundo de LoRaWAN. Las pruebas se realizaron utilizando Sim-RFT, un simulador de errores de canal desarrollado en esta tesis.

Tras el desarrollo de SCHC, se diseñaron versiones específicas de SCHC para LPWAN específicas. En esta tesis se ha estudiado en profundidad la adaptación de SCHC sobre Sigfox, proporcionando modelos matemáticos para el número de mensajes y ACKs, tiempo de transferencia de paquetes y pruebas en redes en vivo. Los resultados curen todas las regiones del mundo de Sigfox y validan SCHC sobre Sigfox. Como parte de los resultados, se encontró un exceso de tráfico ACK, lo que brinda mayores oportunidades de optimización.

Dado que los dispositivos LPWAN generalmente funcionan con baterías, se desarrolló y validó un modelo de consumo de energía de las transferencias de paquetes SCHC a través de Sigfox en hardware real. Se evaluaron dos estrategias y se proporcionan resultados para el consumo promedio de corriente y energía, la vida útil del dispositivo, según el tamaño del paquete y el período de transferencia.

Otra familia de LRLPWN son canales de baja velocidad sobre Wake-Up Radio (WuR) para Cross Technology Communication (CTC). En esta tesis se presenta el diseño, implementación y evaluación de una capa de adaptación para dar soporte a IPv6 sobre WuR-CTC, adaptando SCHC. Los resultados muestran que esta solución permite transferir paquetes entre dispositivos IEEE 802.15.4 y IEEE 802.11, sin una puerta de enlace, compatible con aplicaciones de latencia estricta en entornos inteligentes, donde se espera una interacción en tiempo real entre dispositivos.

Los resultados de esta tesis mostraron que la carga de ACK de SCHC ACK-on-Error aumenta según la tasa de error y la agrupación de errores es optimza en tasas de error altas. Por lo tanto, el mensaje ACK compuesto fue propuesto y adoptado por el IETF LPWAN WG, lo que permite la retroalimentación agregada del receptor en un solo mensaje, lo que reduce la cantidad total de ACK, lo que ayuda a aliviar el cuello de botella del enlace descendente. Además, se presenta y explora un perfil SCHC de convergencia LPWAN.