Testing of mesh and cellular wireless communication in IoT sensor networks

Abstract

Trådlause IoT sensornett har ofte noder som må kommunisere over avstander på over 1000m. Enten Low Power Area Wireless Networks (LPWAN) eller meshnett kan bli brukt for å dekke større avstander. LPWAN bruker lave signalfrekvenser for å sende signalene langt, mens meshnett bruker relenoder for å sende signalet langt ved å sende via flere noder.

NB-IoT og LTE-M er mobilnett LPWAN protookoller, som ble sammenlignet med meshnetta ZigBee og Thread ved å bruke et testsystem desgna i denne masteroppgaven.

Eit literaturstudie blei gjennomført for å lære meir om dei brukte protokollene, og for å forberede design av testsystemet. Strømforbruk, pålitelighet, datakapasitet og forsinkelse er fire viktige egenskaper for trådlause IoT sensornett, og vil difor vere i fokus for design av testsystemet.

Etter implementasjonen målte testsystemet straumtrekk, datakapasitet og forsinkelse. Pålitelighet var ein del av systemdesignet, men på grunn av tidsmangel, ble ikkje pålitelighetsmålingene ein del av den ferdige implementasjonen.

Testene viste at ZigBee og Thread har mykje høgare straumtrekk enn NB-IoT og LTE-M. Dette er grunna at ZigBee og Thread mesh releer ikkje kan aktivere sleep mode.

Testsystemet som kan brukes for dei fleste straumgjerrige trådlause systemer, kan sjåast som hovudproduktet til denne oppåva.

Wireless IoT sensor networks often have nodes spanning distances over 1000m. Some alternatives that can cover such distances ar are Low Power Area Wireless Networks (LPWAN) or wireless mesh networks. LPWAN uses low frequencies to make signals travel longer, while mesh can use relays to send the signal via multiple nodes to cover a larger distance.

Cellular LPWAN protocols NB-IoT and LTE-M were compared against mesh protocols ZigBee and Thread, using a test system designed in this thesis.

A literary study was performed to learn more about the used protocols, as well as to help in the design of the system test. The four properties: power consumption, reliability, throughput and latency, are important for wireless IoT sensor networks, and therefore the focus of the system test.

The test system was implemented, and produced measurements for power consumption, throughput and latency. Reliability was a part of the test system design, but due to time restrictions, reliability tests were not implemented.

It was found that ZigBee and Thread mesh networks have considerably higher power consumption than NB-IoT and LTE-M, since ZigBee and Thread mesh relays can not enter sleep mode.

The test system, applicable for any low power wireless system, is the main product of this thesis.