Investigation of Deployment-Specific Simulation for the Optimization of Wireless Sensor Networks

Strübe, Jan Moritz

This theses researches whether it is possible to map existing deployments to a simulator accurately enough to use simulation to optimize for this specific deployment. For this purpose DrySim was developed as an approach to achieve more realistic simulation of Wireless Sensor Networks (WSNs). DrySim has two components, RealSim and DryRun: RealSim traces the network connectivity of a deployed WSN and allows replaying it in a simulator, whereas DryRun supports exploring a configuration space by running simulations and extracting and preparing data for further analysis. Two different test beds located in office environments were used to evaluate and verify the approach. Measurements in the two test beds showed that they required different configuration options. This was reflected in simulation as well as trial results. The evaluation presents a solid data basis for three scenarios, with a total of 1320 test bed and 8800 simulation runs between 5 and 20 minutes. During the evaluation care was taken to avoid systematic or probe effects. Analysis of the test beds also revealed that the default settings of ContikiOS, a popular WSN operating system, are unsuitable for most WSN deployments. The theses also features an analysis of the impact of different components on a WSN node. Specifically it was evaluated how accurately they can and must be simulated to achieve realistic results. These studies revealed two important points: Firstly the micro controller must be emulated to achieve real time accuracy. Secondly the radio characteristics of a network cannot be predicted and thus must be measured in the final deployment. In previous work, only specific aspects of simulating WSNs were researched. The research done in the context of DrySim, however, shows that to achieve realistic WSN simulation the main components, which are software, micro controller and radio chip and the radio network, must not be treated separately. With DrySim a solution is presented that allows for realistic enough simulation to tune configuration parameters to a specific deployment, while keeping the effort of tweaking the simulation model at a minimum.

Diese Arbeit untersucht, ob es möglich ist bestehendes Sensornetzwerk in einem Simulator abzubilden, so dass dieses auf im Simulator ausbringungspezifisch optimiert werden kann. Hierzu wurde DrySim entwickelt. Ein Ansatz um eine realistischere Simulation von drahtlosen Sensornetzwerken (WSN) zu erzielen. DrySim besteht aus zwei Komponenten, RealSim und DryRun: RealSim zeichnet die Netzwerkkonnektivität eines ausgebrachten WSN auf und kann diese im einem Simulator wiedergeben. DryRun hingeben kann durch die Ausführung von Simulationen einen Konfigurationsraum erkunden und die gewonnenen Daten aufbereiten. Der Ansatz wurde in zwei Testnetzwerke, die in Büroräumen ausgebracht waren evaluiert. Die Messungen in den beiden Netzwerken haben gezeigt, dass sie unterschiedliche Konfigurationen benötigen, was sich auch in den Simulationen widergespiegelt hat. Die Evaluation präsentiert eine solide Datenbasis für drei Szenarien, mit 1320 Versuchen auf den Testnetzwerken und 8800 Simulationen zwischen 5 und 20 Minuten. Es wurde darauf geachtet den Einfluss durch systematische Fehler und die Beobachtung zu vermeiden. Die Untersuchung hat auch gezeigt, dass die Standardeinstellungen von ContikiOS, eines verbreiteten WSN-Betriebssystems für die meisten Umgebungen ungeeignet sind. Die Arbeit analysiert auch den Einfluss der verschiedenen Komponenten auf einen WSN-Knoten. Insbesondere wurde untersucht, wie akkurat diese simuliert werden können und müssen um realistische Simulationsergebnisse zu erzielen. Hierbei wurden zwei wichtige Punkte herausgearbeitet: Erstens muss der Mikrocontroller emuliert werden, um Echtzeitgenauigkeit zu erreichen. Zweitens können die Funkcharakteristiken eines Netzwerks nicht vorhergesagt werden und müssen daher vermessen werden. Vorhergehenden Arbeiten haben sich meist auf spezifische Aspekte der Simulation von Sensornetzwerken konzentriert. Die in Kontext von DrySim betriebene Forschung zeigt jedoch, dass realistische Simulationsergebnisse nur erreicht werden können, wenn die Hauptkomponenten, Software, Mikrocontroller, Radio-Chip und Funknetzwerk nicht getrennt betrachtet werden. Mit DrySim wird eine Lösung präsentiert, die es erlaubt bestehende Netzwerke so akkurat zu simulieren, dass man die Konfigurationsparameter auf dieses spezifische Netzwerk anpassen kann. Dabei bleibt der Konfigurationsaufwand bei einem Minimum.

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Strübe, Jan: Investigation of Deployment-Specific Simulation for the Optimization of Wireless Sensor Networks. 2018.

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