GOAT: Development of a Wireless Sensor Network analysis tool

Abstract

Looking at the trend followed by information and communication technologies, we can note a constant evolution towards embedded devices, becoming smaller and more efficient, endowed with greater processing power, storage capacity and ease of communications. Based on these technological advances, network physiognomies have changed from being composed of a limited number of wired connected nodes to a central computer, to be smaller, cheaper and lower power devices capable of processing information locally and transfer it wirelessly. In that sense, Wireless sensor networks (WSNs) are positioned to be one of the fastest growing fields of study in the next years. WSNs are based on sensor nodes, which are low cost and low consumption devices able to obtain data from their environment, process it locally, and then communicate it via wireless links to a central coordinating node, known as sink. Due to the small size of the nodes, batteries must also be small; therefore saving energy consumption is vital in these networks since it is not always possible to recharge them. Hence, there is a need to meet the goal of energy efficiency, which is to maximize the lifetime of the network while still providing the applications required quality of service (QoS). This project intends to make possible the analysis of the effect of different Medium Access Control (MAC) and routing protocols on energy consumption in several low node density WSNs scenarios (up to 1,000 nodes). To that end, the GOAT software tool has been developed. GOAT is a graphical network analysis tool that allows designing WSNs and estimating its energy consumption and overall lifetime in thoroughly configurable scenarios. The aim of the tool is to base future WSN designs on the results gathered through the simulations.Observant la tendència seguida per les tecnologies de la informació i comunicació, notem una evolució constant cap a dispositius integrats, cada vegada més petits i eficients, dotats d'un major poder de processament, capacitat d'emmagatzematge i facilitat de comunicació. Sobre la base d'aquests avanços, les fisonomies de les xarxes han passat de compondre's d'un nombre limitat de nodes connectats mediant cable a un ordinador central, a ser aquests més petits, més barats i de menor consum, capaços de processar la informació a nivell local i transferir-la inalàmbricament. Les xarxes de sensors sense fils (WSN són les seves sigles en anglès) estan en condicions de ser un dels camps d'estudi de més ràpid creixement en els propers anys. Les WSN estan basades en dispositius de baix cost i consum (nodes de mesura) que són capaços d'obtenir les dades del seu entorn, processar-les a nivell local, i comunicar-les després a través d'enllaços sense fils a un node central de coordinació, conegut com a gateway. A causa de la reduïda mida dels nodes, les bateries han de ser també petites, per tant, l'estalvi de consum energètic és vital en aquest tipus de xarxes, ja que no sempre serà possible accedir a recarregar-les. Hi ha, aleshores, una fefaent necessitat de complir l'objectiu de l'eficiència energètica, que tracta de maximitzar la vida útil de la xarxa mentre es mantenen els requisits de qualitat de servei de les aplicacions ofertes. Aquest projecte té la intenció de permetre l'anàlisi de l'impacte de diversos protocols de control d'accés al medi (MAC) i protocols d’enrutament sobre el consum d'energia en WSNs de baixa densitat (fins a 1.000 nodes). Per a això, l'eina software GOAT ha estat desenvolupada. GOAT és un analitzador gràfic de xarxes que permet dissenyar WSNs i estimar el seu consum d'energia i temps de vida general en escenaris profundament configurables. L'objectiu de l'eina és basar els futurs dissenys d’aquest tipus de xarxes sobre els resultats recollits a través de les simulacions.Observando la tendencia seguida por las tecnologías de la información y comunicación, notamos una evolución constante hacia dispositivos integrados, cada vez más pequeños y eficientes, dotados de un mayor poder de procesamiento, capacidad de almacenamiento y facilidad de comunicación. Sobre la base de estos avances tecnológicos, las fisonomías de las redes han pasado de componerse de un número limitado de nodos conectados por cable a un ordenador central, a ser éstos más pequeños, más baratos y de menor consumo, capaces de procesar la información a nivel local y transferirla inalámbricamente. Las redes de sensores inalámbricas (WSN son sus siglas en inglés) están en condiciones de ser uno de los campos de estudio de más rápido crecimiento en los próximos años. Las WSN están basadas en dispositivos de bajo coste y consumo (nodos de medida) que son capaces de obtener los datos de su entorno, procesarlos a nivel local, y comunicarlos luego a través de enlaces inalámbricos a un nodo central de coordinación, conocido como gateway. Debido al pequeño tamaño de los nodos, las baterías deben ser también pequeñas, con lo cual, el ahorro de consumo energético es vital en éste tipo de redes, ya que no siempre es posible acceder a recargarlas. Por lo tanto, hay una fehaciente necesidad de cumplir el objetivo de la eficiencia energética, que trata de maximizar la vida útil de la red mientras se mantienen los requisitos de calidad de servicio de las aplicaciones ofrecidas. Este proyecto tiene la intención de permitir el análisis del impacto de diversos protocolos de control de acceso al medio (MAC) y protocolos de enrutamiento sobre el consumo de energía en WSNs de baja densidad (hasta 1.000 nodos). Para ello, la herramienta de software GOAT ha sido desarrollada. GOAT es una herramienta de análisis gráfico de redes que permite diseñar WSNs y estimar el consumo de energía y tiempo de vida general en escenarios profundamente configurables. El objetivo de la herramienta es basar los futuros diseños WSN sobre los resultados recogidos a través de las simulaciones.