Avaliação de protocolos de comunicação no contexto da automação residencial

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Pontes, Aline dos Santos
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Energia
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35585
Resumo: The concept of the Internet of Things (IoT) refers to the interconnection of technologies aimed at facilitating people’s routines. This control is carried out by wireless communications that follow certain protocols to send and receive information from a central unit. Protocols manage the data between the action and the response of the devices. This dissertation investigates whether Matter, a communication protocol that runs on any IP stack, can provide a consistent experience across different transport layer standards, such as Wi-Fi and 802.15.4. Although Wi-Fi was designed for high data rates and 802.15.4 for IoT, Matter devices may present different experiences depending on the standard used. The most widely used standards for home automation, such as Wi-Fi, 802.15.4 (including ZigBee and Thread), Bluetooth, and LoRa, are well established in the market, and their performance has been extensively studied. This dissertation does not aim to assess the limits of these protocols but rather to verify if Matter offers a consistent experience among them, given that a typical home would likely operate well within the limits of any protocol used. First, the quantity of devices representing a highly automated typical home is established. Then, the typical traffic based on the commonly found devices is determined. Two residential scenarios are simulated: a 100 m2 house and an 800 m2 house, both with devices distributed throughout all rooms, considering a communication frequency of one message every 60 seconds. The performance of the main wireless communication protocols is evaluated under these typical conditions, considering energy consumption, latency, range, and interference. Additionally, more demanding scenarios are analyzed, increasing the node density in an 800 m2 house and the communication frequency to one message every 10 seconds. These conditions aim to test the performance of the protocols under higher demand situations. It is concluded that when protocols are analyzed in the context of Matter, although the protocol provides an abstraction layer that facilitates interoperability and uniform communication between devices of different network technologies, the physical and operational characteristics of Wi-Fi and IEEE 802.15.4-2003 may result in perceptible performance differences to the user. As observed in the simulations, these protocols exhibit entirely different behaviors depending on the scenario in which they are applied.For scenarios with interference from another wireless network in the environment, Wi-Fi delivers almost 40% fewer packets compared to the same scenario without interference. The IEEE 802.15.4-2003 standard maintains delivery integrity and latency across all analyzed scenarios.
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This dissertation investigates whether Matter, a communication protocol that runs on any IP stack, can provide a consistent experience across different transport layer standards, such as Wi-Fi and 802.15.4. Although Wi-Fi was designed for high data rates and 802.15.4 for IoT, Matter devices may present different experiences depending on the standard used. The most widely used standards for home automation, such as Wi-Fi, 802.15.4 (including ZigBee and Thread), Bluetooth, and LoRa, are well established in the market, and their performance has been extensively studied. This dissertation does not aim to assess the limits of these protocols but rather to verify if Matter offers a consistent experience among them, given that a typical home would likely operate well within the limits of any protocol used. First, the quantity of devices representing a highly automated typical home is established. Then, the typical traffic based on the commonly found devices is determined. Two residential scenarios are simulated: a 100 m2 house and an 800 m2 house, both with devices distributed throughout all rooms, considering a communication frequency of one message every 60 seconds. The performance of the main wireless communication protocols is evaluated under these typical conditions, considering energy consumption, latency, range, and interference. Additionally, more demanding scenarios are analyzed, increasing the node density in an 800 m2 house and the communication frequency to one message every 10 seconds. These conditions aim to test the performance of the protocols under higher demand situations. It is concluded that when protocols are analyzed in the context of Matter, although the protocol provides an abstraction layer that facilitates interoperability and uniform communication between devices of different network technologies, the physical and operational characteristics of Wi-Fi and IEEE 802.15.4-2003 may result in perceptible performance differences to the user. As observed in the simulations, these protocols exhibit entirely different behaviors depending on the scenario in which they are applied.For scenarios with interference from another wireless network in the environment, Wi-Fi delivers almost 40% fewer packets compared to the same scenario without interference. The IEEE 802.15.4-2003 standard maintains delivery integrity and latency across all analyzed scenarios.O conceito de Internet das Coisas (IoT) refere-se à interconexão de tecnologias destinadas a facilitar a rotina das pessoas. Esse controle é realizado por comunicações sem fio que seguem determinados protocolos para enviar e receber informações de uma centralizadora. Os protocolos gerenciam os dados entre a ação e a resposta dos dispositivos. Esta dissertação investiga se o Matter, um protocolo de comunicação que roda sobre qualquer pilha IP, pode proporcionar uma experiência consistente entre diferentes padrões de camada de transporte, como Wi-Fi e 802.15.4. Embora Wi-Fi tenha sido concebido para alta taxa de dados e 802.15.4 para IoT, dispositivos Matter podem apresentar experiências diferentes conforme o padrão utilizado. Os padrões mais utilizados para automação residencial, como Wi-Fi, 802.15.4 (incluindo ZigBee e Thread), Bluetooth e LoRa, são bem consolidados no mercado e seu desempenho já foi amplamente estudado. Esta dissertação não busca avaliar os limites desses protocolos, mas sim verificar se o Matter oferece uma experiência consistente entre eles, já que uma casa típica provavelmente operaria bem longe dos limites de qualquer protocolo usado. Primeiramente, estabelece-se a quantidade de dispositivos que representaria uma casa típica altamente automatizada. Em seguida, determina-se o tráfego típico em função dos dispositivos usualmente encontrados. Simulam-se dois cenários residenciais: uma residência de 100 m2 e outra de 800 m2, ambas com dispositivos distribuídos por todos os cômodos, considerando uma frequência de comunicação de uma mensagem a cada 60 segundos. Avalia-se o desempenho dos principais protocolos de comunicação sem fio nessas condições típicas, considerando consumo de energia, latência, alcance e interferência. Além disso, analisam-se cenários mais exigentes, aumentando a densidade de nós em uma casa de 800 m2 e a frequência de comunicação para uma mensagem a cada 10 segundos. Essas condições visam testar o desempenho dos protocolos sob situações de maior demanda. Conclui-se que, quando os protocolos são analisados sobre o contexto de Matter, embora o protocolo forneça uma camada de abstração que facilita a interoperabilidade e a comunicação uniforme entre dispositivos de diferentes tecnologias de rede, as características físicas e operacionais do Wi-Fi n e do IEEE 802.15.4-2003 podem resultar em diferenças de desempenho perceptíveis ao usuário, pois como observado nas simulações, possuem comportamentos distintos dependendo do cenário no qual é aplicado. Para cenários com interferências de outra rede sem fio no ambiente, o Wi-Fi entrega quase 40% menos pacotes considerando o mesmo cenário sem interferência. O padrão IEEE 802.15.4-2003 consegue manter a integridade de entrega e latência em todos os cenários analisados.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Sistemas de EnergiaUTFPRMoritz, Guilherme Luizhttps://orcid.org/0000-0003-3628-2321http://lattes.cnpq.br/0736175449254807Peron, Guilherme de Santihttps://orcid.org/0000-0001-5794-0237http://lattes.cnpq.br/7845448730478685Moritz, Guilherme Luizhttps://orcid.org/0000-0003-3628-2321http://lattes.cnpq.br/0736175449254807Lolis, Luis Henrique Assumpcaohttps://orcid.org/0000-0001-9123-4459http://lattes.cnpq.br/6020002287949740Pontes, Aline dos Santos2024-12-09T19:40:10Z2024-12-09T19:40:10Z2024-08-09info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfPONTES, Aline dos Santos. Avaliação de protocolos de comunicação no contexto da automação residencial. 2024. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Energia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35585porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2024-12-10T06:09:37Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/35585Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2024-12-10T06:09:37Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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