Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   9 , No .   3 ,  J un e   201 9 , pp.  1997 ~ 20 05   IS S N:  20 88 - 8708 ,  DOI:   10 .11 591/ ijece . v 9 i 3 . pp1997 - 20 05           1997       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   An  a pp roxim atio n  d elay   between  c ons ecutive   r eque sts  f or  c on gesti on  c ont rol   in  u nicast  CoAP - bas e d   g roup   c ommun icat i on         Chanwi t  S uwann apon g ,  C h at c ha i  Khu nb oa   Depa rte m ent   of C om pute r  Engi n ee ring ,   Khon K a en  Univer si t y ,   T hai l and       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   A ug   2 , 2 01 8   Re vised  Dec  18 , 2 01 8   Accepte d  Ja n   1 7 , 2 01 9       Thi s  rese ar ch  p rese nts  a  wa y   t o   avoi d   net wor k  conge stion  du ring  unic ast   CoAP - base d  g roup  comm uni ca t ion  using  inc rea sed  d el a ys  bet wee n   conse cutive  req u ests  (DCR)  in  L oW PAN   borde r  route rs  to  li m it   req uest  send   rat es.   It  al so  provide s  a  wa y   to  det ermine  DCR  val ues  that  are   s uit able  for   var ious  net work  group  size s  with  diffe ring  node  c ounts.  The   optim al   DCR  is  obta in ed  using  the   least  square s  appr oximati on   m et hod  and  the   rel a ti v e   m ini m um .   Result s  from   expe rimentation  show s  a   positi ve  r elati on ,   that  is,   an   inc re ase   in   grou p  size  necess it ates  an  inc re ase   in   DCR  val ue .   Ex per iments  in   var ious  group  s iz es  show   fav ora ble   net work  pe rform anc e  and  support   the  proposed  conge s ti on  cont rol   m ethod using  DCR.   Ke yw or d s :   Appro xim ation   CoA P   Group c omm un ic at ion   Un ic ast   W i reless se nso r netw ork   Copyright   ©   201 9  Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .     Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Chatc hai  Khu nboa ,    Dep a rtem ent   of  Com pu te r  Enginee rin g,   Kho n Kaen  Un iversity ,   123  M oo  16 Mi tt apap  Rd . , N a i - Muan g, Mua ng D ist rict , K hon Kae n 4 0002 , T haila nd .   Em a il : chatc hai@kku.ac.t h       1.   INTROD U CTION     To day,  the  use   of   co ns trai ne d  de vices  is  beco m ing   com m on place.  The ir  abili ty   to  con nect  to  the   internet  br in gs  about  the  c oncept  of   the  I nter net  of   T hi ng s  (IoT ).   T he se  dev ic es  a r e  ty pical ly   us ed  f or   colle ct ing   i nfo rm ation   f r om  sens ors  int o  sta ndar d  net works  [ 1],   [ 2].  I nter net  of   Things  c om e  in  tw o  cat egories:   Non - IP   an d  I P - ba sed.   Non - IP   sy stem s  do   not  r el y  on   IP   a ddr esses  for  com m un ic at ion .  Such  no n - IP   prot oc ols  inclu de  the  Bl ueto oth   lo w  e nergy  an d  Zig bee  prot oco ls .   IP - base d  syst e m s,  wh ic h  re qu i re  IP  addresses , c omprise  prot oco ls  su c h  as  6Lo W PAN a nd T hr e ad.   To  s upport  IP - base d  com m un ic at ion   [ 3],  the   In te r net  En gine erin g  Tas k  Force  (IETF )  has   dev el ope d  the  Const rain ed  A ppli cat ion   Protoc ol  (C oAP),   a  we b  com m un ic at i on   protoc ol  s pecial ly   desig ned   for  const raine d  de vices.  It  is  si m i la r  to  HTTP  [ 4] ,  bu t  w orks  on   top   of  the  Use r  Diag ram   Pr oto c ol  ( U DP )  in s te ad  of  the  Tra ns m issi on   C ontrol   Protoc ol  (TC P) .   This   el i m i nates  the   ne ed   f or  a  th ree - w ay   hands ha ke  and  th e   need   to  m ai nta in  a  connecte d  sta te ,  m aking   CoA P  ideal   f or  const raine d  de vices.  The  protoc ol  al so   suppo rts   m achine - to - m a chine   (M 2M)  c omm u nicat ion .   M2M  i nvolv e s  a  se nsor   de vi ce  sen ding   dat a  thr ough  a  wireless   netw ork  to   an  ap plica ti on.  T he   ap plica ti on   c onve rts  the d at a  into  m edia  th at   is  show n  to   the u ser ,  al lo wing  f or  i m m ediat e interact ion an d dec isi on  m aking.   Ty pical   CoA P   com m un ic at io n  is  one - to - on e.  A  cl ie nt  exc hanges  m essages  with  a  se r ve r  us in g  th e   fo ll owin g  ste ps  as  sho wn   i n  Figure  1 :  1)  th e  us er   init ia te s  a  GET  c omm a nd   t hro ugh  a  w eb  brow se r  to   r equ e st  data  f ro m   the  CoA P   se rv e r.   2)  The   Co AP  cl ie nt  node   rec ei ves  this   GE T  com m and   f r om   the  bro wse r,   a nd   sen ds   a  request  m essage  to  the  CoA P  ser ver  through  U DP.   3)   Wh en  the  s erv e r  receives  the  request  m e ssage,  it   send s  a  re ply  m essage  cont ai nin g  the  requested  data  ba ck  to  the  cl ie nt .  4)   T he  cl ie nt  sen ds   the  data  to  the   browser.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   3 ,  June   201 9   :   1997   -   2005   1998         Figure  1.  F undam ental   CoA P   com m un ic at ion       In   m any  cases,   on e - to - m any  com m un ic at ion   is  re qu i red.  Su c h  insta nces   include   sim ult aneous  data   colle ct ion   fro m   m u lt iple  sensor  nodes   f or  ve rificat io n  and  pr ocessin g,   a nd  node  gro upin g.   C oAP  gro up   com m un ic at ion   is  thu s  im portant  to  I oT ,  a nd   is  on e  i ns ta nce  of  the  gro up   c oncept  being   i ncorpo rated  int o  data  com m un ic at ion .  U nfo rt un at el y,  Co AP  do es  no t  pr ovide  a  way  to  ha nd le   ne tw ork  congesti ons  th at   m a y  arise,  su c h  as  wh e n  one  cl ie nt  node  exc ha ng e s  m essages  with  m ulti ple  serv e r  no des  usi ng   un ic ast   f or  basic   com m un ic at ion   or  f or  re sou rce  obser vatio n.   Su c h  a  pro blem   is  wo rt h  in vestigat in g  [ 5 ],   [ 6 ] .  As  a   res ult,    a  stud y  by  I .  I sh a q  et   al   [ 7 ]   pro po ses   the  use   of  a  C oAP - base d  gr oup  c omm un ic at ion   m et ho d  cal le d  un ic as t   wh e re  a  le vel  of   intel li ge n ce   is  intro duce d  to  facil it at e  reso urce  m anag e m ent,  m aking   it   po ssible  to  us e  a   sing le   request  m essage to  m anag e  r es ources .   Group  com m un ic at ion   th rou gh   Co AP   is  hi gh ly   reli able  and   ef fecti ve,   but  if  on e  cl ie nt   node  sen ds   un ic ast s   to   m ulti ple  serv e r  node s  in   rap i d  su ccessi on,  th e   res pons e   m essages   from   tho se  ser ver s   would  be   equ al ly   rap i d,   and   would  res ult  in  inevita bl e  congesti on.  I f  the  rate  of   r equ e st  m essages  bein g  sent  is  no t   m od erated,  w he n  t he  netw ork   reac hes  it s  ca pacit y  thres hold,  it   w ou l d  sta r t  to  d isc ar d  m essages,   ca us in g  data   loss,  as  sh own   in  F igu re  2.   To  av oid   unic ast   con ge sti on,   a  delay   between   co ns ec utiv e  req ue sts  (DC R)  is   introd uced  to  ke ep  the   rate  of  request  m essages  to  within   th e  lim it s  of   the  netw ork  a nd  th e  recipie nt  no de s.  I f   le ft  unco nt r olled,   the  bur de n  on  t he  netw ork  ca us e d  by  ra pid  m essages  cou l d  res ult  in   the  a f or em entione d  data loss  and e ven n et wor k  c ollapse.           Figure  2 .  Co A P - ba sed   gr oup com m un ic at ion   un ic ast  c onge sti on       This  resea rch   aim s  to  pr ovid e  a  so luti on  to  the  unic ast   congesti on  pro ble m   by  add in g  D CR   into  the   gateway  ( Lo W PAN   bo rd e r  r ou te r)   t o  lim it   the  m essage  send  rate  to  within  a n  acce pta ble  tolera nce.  It  al s o  pr ese nts  a  way   to  determ ine  DCR  values  f or  dif fer e nt  gro up  siz es  with d if fer e nt  node  de ns it ie s  us in g  th e  le as t  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       An a pp r oxim at ion   delay  b et w een c onsecuti v e req uests  f or  c ongestio n  c ontrol in… ( Chanwit S u wann apon g )   1999   sq ua res  a ppr oxi m ation   m et ho d.   Op ti m u m   DCR  values  a re   ob ta i ned   from   the  relat ive  m ini m u m ,  and   t est e d  us in g  t he  Co oj a sim ulator.     The  rem ai nd er   of  t his  pap e r  i s  or ga nize d  as  fo ll ows:  Sect io n  2  pro vid es  ba ckgr ound  inf orm ation   on   CoA P ,  unic ast   gro up  c omm u nic at ion  in  IoT ,  an d  le ast   squ ares  a ppr ox im at ion .  Sect io n  3  pr ese nts  t he  resu lt s   and   a naly sis,  wh ic h  co ver s  t he  m e tho dol ogy  fo r  fi nd i ng   t he  DCR,  the  si m ula ti on   of   th e  DCR  values,  and   a   descr i ption o f  t he results.  Th e   la st sect ion ,  Se ct ion   4,   su m m a rizes the  re sea r ch.       2.   RESEA R CH MET HO D     2.1.   A  b ackgr ou n d  of   C oAP   The  C onstrai ne d  Applic at ion  Protoc ol  (CoAP)   is  a   sp eci al iz ed  we b  tr a ns fe r  protoc ol  desig ne d  f or   const raine d  node s  an d  co nst rained   netw orks.   It  s uppo rts  Io T  us in g  li gh twei ght  m essages,  an d  util iz es   relat ively   litt le  serv er  resou rc es  and   po wer   c om par ed  to  ot her   pr oto c ols.  It  is  able  to  su pport   requests  from   a   la rg e  gro up  of  cl ie nts.  De sig ne d  by  the   I nter net  E ng i neer i ng  Ta sk  F or ce   ( IETF ),  Co AP   c om pr ise s  tw o  l ay ers:   1)   Me ssa ging  Lay er  to  ha nd l e  UD P  for  co m m u nicat ion ,  and   2)   Re qu es t/ Re sp onse  La ye r  to  handle  m et ho d  and res ponse  c od e s.   CoA P   is  sim ilar  to   HT TP  i n  that  t hey  both  use   the   RE STful   W e b  Se rv ic e,   a  f unda m ental   web   te chnolo gy  a va il able  on  e ve ry  platf or m   w her e   a  se rv e r  node  c an   creat e  res ources   f or  us e  i n  the   U RI,  a nd  cl ie nt  nodes   ca n  acce ss   th os e  serv e r  node   re so urces  t hro ugh  f our   ty pes  of  m e tho d  co des :  GET,  P UT,   P OS T ,   and   DELET E  [ 8 ] .  A nother  si m il arity  is   that  CoA P  can  se nd  var i ous  ty pes  of   payl oa ds ,  and   ca n  ind ic a te   the  ty pe  of  payl oa d  us in g  XML,   J SON,   a nd  CB OR  et c.  Am i ds t  the   sim i la riti es,  howe ver,   a  disti nct   dif f eren ce   betwee n  the t w o  pr oto c ols is that Co AP  c omm un ic at es thr ough  UDP  w hile HTTP uses  T CP. An a dv a nt age of  UDP,  a  c onne ct ion le ss  pr otoc ol,  is  that  da ta   can  be  se nt  ver y  quic kly  without  the  ne ed  f or   a  t hr ee - way   hands ha ke  that  is re qu i red by  TCP.   Ther e   are   f ou r  ty pes  of  m e ssages   de fine d  in  C oAP:  1)   Co nf irm able,  2)  Non - c onfi rm a ble,  3)  Ackn ow le dg e m ent,  and   4)  Re set .  In   t he  Re qu est   la ye r,  Confirm able  and   N on - c onfirm able  m essages  can  be  sent.  Wh il e  in   the  Re spo ns e   la ye r,   an  Ac knowle dgem ent  m essage  can  be  pi ggybac ke d.   T he  reli abili ty   of   CoA P   m essages  are  def i ned  as  Co nf irm ab le   (CO N)   a nd   N on - co nfi rm a ble  ( NON ).   C ON   is   us e d  t o  sen d  reli able  m essa ges,   with  def a ult  tim eou ts  and   e xpone ntial   back - offs  between   retra ns m issi on s.   The   re cei vi ng   serv e r  se nds  a n  Ackn ow le dge m ent  m essage  ( ACK )  us in g  the  sam e  m essage  ID  as  t he   cl ie nt' s  req ue s t.  The  m essage  se nd / recei ve  dia gr a m   is  sh own  i n  Fig ur e   3 (a ).   Me ssages  w hose  reli abili ty   is  of  l ow  im po rtanc e   (unr el ia ble )  c an  be  sent  a s  N on - c onfir m able,  in  w hi ch  case   the   ser ver  will   no t   res pond  with  a n  ackno wled gem ent  m essage  bu t  will   reco r d  the  m essage  ID   to  pr eve nt  duplica ti on.   In   the  e xam ple  in     Figure  3 ( b),  t he   m essage  ID  is  [0x 7d34] .  I f   the  se rv e r  rec ei ves  a  non - c onfirm able  m es sage  but  is  un able  to  process  it , it w ou l d respo nd  with a Reset  m essage  (RST ) [ 4].           Figure  3 .  (a )  R el ia ble m essage tran sm issi on ,   ( b)   U nr el ia ble  m essage tra nsm issi on       2.2.   U nicas t g roup co mmun ic at io n in I oT   Group  c omm u nicat ion   is  ess entia l  to  m any  Io T  a ppli cat i on s ,  pa rtic ularl y  in  con st rain ed  net works   su c h  as  l ow - power  an d  l os sy   netw orks  (LL N) .     Ty pical ly ,  in v ery  la rg e   ne tworks ,  c onstr ai ned  d e vices n eed   t o  be  gro up e d  a nd  c on t ro ll ed   usi ng   gro up  c omm and s  t o  sim plify  m anag em e nt  an d  a void  c ongestio n   [ 6 ] .   Durin g  un ic ast   com m un ic at io n,   on e  sen der   no de  se nd s  m essages  to  m ulti ple  receivers,   a nd   m us t  wait   fo r  an  ACK   m essage  from   each  of  the  re cei vin g  nodes .   This  can  le ad   to  congesti on,   especial ly   wh en  the  receive r  an d  sen der   dif fer i n t heir  m essage  sen ding a nd   re cei vin g ca pab il it y.   Ish a q  et   al   [ 5 ]   su gg e ste d  a   un ic ast   gro up   com m un ic at i on   m et ho d  with  the  aim   of   segm enting  m anag em ent  task s  to  al lo w  ea sie r  acce ss  to  r eso ur ces .    A  gro up  of  no des  bein g  m anag ed   is  cal le d  an  E ntit y.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   3 ,  June   201 9   :   1997   -   2005   2000   The  gro up  of   resou rces  belo ng i ng  to   an   E ntit y  is  cal le d  Entit y  Mem ber s.  Re s ource   usa ge  or  m anage m ent  com m and s  ca n  be  se nt  to  an  Entit y  us ing   a  sing le   Co AP   r equ e st.    A n  E nt it y  Ma nag er  ( EM)  is  the  coll ect ion   of   m anag em ent  too ls  for  eac h  Entit y.  An   E M  is  able  to  m anag e  a n  E ntit y  and   it s  res ourc es  on  a  Co A P  ser ver  in LL Ns. Cl ie nts in  the  Inter ne t can se nd c om m and s to  t he EM  to  c on t ro l  Entit ie s.   Hou  et   al   [ 8 ]  su ggest e d  in t he ir p a per  t he use  o f  a  r es ource - or ie nted protoc ol call ed  Seal H tt p  to so l ve   the  issue  with  un ic ast - base d  gro up   c omm un ic at ion .  Its  pr oc ess  util iz es  C OMBIN E  an d  BR AN CH  i ns te ad  of  the  EM,  a nd  al lows   nodes   the  abili ty   to  sel f - j oi n  a nd   l eave  groups .  Com par ison s   wer e  m ade  be tween  Seal Http  an d  RESTf ul  proto cols,  an d  URI  perform ance  was  i m pr ov e d  by   add in g  sp at iotem po ral  at tribu te s  i n  the   sta nd a rd   U RI  for  dynam i c  gr ou p  re qu e sts  of   physi cal   resour ces .  Th e  researc h  fin ds   that  Seal Http  has   bette r  a ver a ge e nergy c on s umpti on du rin g group c omm un ic at ion  in  the  w e b of t hings  ( W oT) tha n  C oAP .   A  pap e r  by  Q ua kasse  et   al   [ 9 ]   proposes   a  w ay   to  so l ve  ne t work  co ngest ion  in  C oAP  by   i m pr ovin g  the  delay   and   adap t  the  be ha vior  of   the  s olu ti on   to  netw ork  co ndit ion s .  The  pa per   al so  su ggest s  the  us e  of   delay s  betwee n  unic ast   requ est s  dep e nd i ng  on   the  li nk  de la y  and   the  est i m at ed  gr oup  s iz e.  The  res ults  sho w   i m pr oved  p e rfor m ance in  te r m s o f  res pons e  tim e and   pac ke t l os s.     2.3.   Le ast s qu ares  ap p ro xi mat i on   An   ass um ption  m ade  in  this  r esearch  is  that  there  m ay   be  disco ntin uiti es  in  the  DCR  values  at   the  sp eci fic  ra nge  that  we  f ocu s  on,  an d  that  th ere  co uld   be  da ta   m easur em e nt  errors  duri ng  ex per im ents  [1 0 ].  This  resea rc h,   therefo re,  us es   an  ap pro xim ation   functi on  to   best  co ns tr uct  a  gr a phic al   li ne  of   t he  DCR  values   in r el at io n  to  th e size  of the  c om m un ic at ion   gro up, as  m entio ne d  i n  Sect i on  1.   The  le ast   squar es  m et ho d   pro du ce s  the  best  functi on  f or   da ta   app r oxim ati on   beca us e  it   aver a ges  ou t  data  er rors  t o  a   m ini m u m .  When  the   f unct ion  is  draw n  out  a s  a  gra ph,  the   li ne  will   not  pa ss  thr ough  ea c h  data  po i nt,  but  will   traver se  th rough  the  vicinit y  cl os e  to  the m .  The  funct i on   pr oduces  a  s m oo th  li ne   that  appr ox im at es  r eal   values.   T he   resu lt in g  f unct ion   is  co ncise  and   is  in depend e nt  of  data  siz e.  Diff e re ntial   an d  integrati on  cal culat ion s  ca n  e asi ly   be  app li e d.   T he  re su lt in g  f unct ion s  a re   po ly nom ia l,  a nd   it s  c orrectn ess  is  dep e ndent  on t he deg ree  of poly no m i al s [ 1 1 ].   The  le ast   s qu a r es  m e tho d  of  f un ct io n  a ppr oxi m ation   ca n  be   app li e d  in  m any  ways.  For  our  pur poses   we  use   one  ty pe  of  le ast   s quares  cal le d  the   discrete  le ast   sq ua res  m et hod.   T he  in put  da ta   is  non - c onti nuous,   and   t he  a ppr oxi m ation   is  in  t he  f or m   of   t he   po ly no m ia l   n p   with  the  highe st  degree  of   n  that  pro du ce s   m ini m u m   m ea n  s quare d  e rror, sho wn in   E qu at ion   ( 1 ) .     2 2 0 1 1 00   NN n i i i i i n i ii w f x p x w f x a a x a x   (1)     w he n  01 n x , x , . . . , x   are  no t  con ti nu ou s ,  and   01 n w , w , . . . , w   re pr ese nt   weig hted  dat a,  if  Nn ,  the  er r or   ca n  be  el i m inate d  us i ng   a  poly no m i al   fo rm ula.  I n  this  case,  the  num ber   of   disc onti nuous  data  is  m or e  im po rtant  tha n  the d e greee   of  appr ox im at ion . F or c onti nuou s d at a,   E quat io n   ( 1 )   ca n be e xpan de d  as  foll ows  [1 2 ]:     1 01 0 0 0 0  N N N N j j j n j i i i i n i i i i i i i i i a w x a w x a w x w x f x   (2)     wh e n j  =  0,1,   ...   ,   n o r     wh e n j  =   0    0 1 0 01 0 0 0 0 N N N N n i i i i n i i i i i i i i i a w x a w x a w x w x f x   (3)     wh e n j  =   1    1 2 1 1 01 0 0 0 0 N N N N n i i i i n i i i i i i i i i a w x a w x a w x w x f x   (4)     wh e n j  =  n    12 01 0 0 0 0 N N N N n n n n i i i i n i i i i i i i i i a w x a w x a w x w x f x   (5)     This  ca n be e xpress ed  as  po ly no m ia l E qu at io n  ( 6 ) .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       An a pp r oxim at ion   delay  b et w een c onsecuti v e req uests  f or  c ongestio n  c ontrol in… ( Chanwit S u wann apon g )   2001   01 n n f x a a x a x   (6)     Eq uation  ( 5 )   c an be e xpresse d  as  a m at rix.   X a f   (7)     Ma tric es X  a nd  f,   when  all  wei gh te d data  ar e eq ual  1 i w ,  can  be ex pr es sed  as     0 1 2 0 0 1 1 1 1 1 1 1 2 3 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2 2 1 1 1 1 1          m m m m m n i i i i i i i i i i i m m m m m n i i i i i i i i i i i m m m m m n n n n n n i i i i i i i i i i i x x x x x f x a a x x x x x f x a a x x x x x f x 2 4 b ac   (8)          w he n  t his  is  expresse d  as   an  e qu at i on,  we  get  the   li ne ar  f unct io n  01  i y a a x ,  the  quad rati c  f un ct io n  2 0 1 2 ii y a a x a x ,  the   cu bi c  functi on   23 0 1 2 3 i i i y a a x a x a x ,  t he  qu a rtic   f unc ti on   2 3 4 0 1 2 3 4 i i i i y a a x a x a x a x ,  an d  so   on.   Be cause  the   data  in  this  researc h  is   ob ta ine d  f ro m   exp e rim entat io n,   the  le ast   s quares  m et ho d  i s  bette r  s uited  to  the  ta sk   t ha n  inter pola ti on  because   ex pe r i m ent   data  m a y  con t ai n  erro rs  cau s ed  by  the  m easur em ent  proc ess.    Th e  res ul ti ng   gra ph   li ne   need   not  pass   ever y  data point,   bu t  sh oul d be a  res ult o f  the  least   total  error.       3.   RESU LT S   A ND AN ALYSIS     This  resea rc h  pro po ses  a n  al te rn at ive  f orm   of   un ic ast   w he re  the  L oWP AN   bor der   rou te r  m anag es   cl ie nt   req uest  m essages,  as  sh ow n  in  F ig ure  4,   an d  us es  a n  a  si m ple  DCR - base d  so l ution   based   on   le isure  as  def i ned   i n  RF C725 2   [ 13 ]   to   le ssen  c onges ti on .  T he  m eth od  set s  th e  li m it   rate  at   the   bor der   router   whe n  un ic ast   m essa ges  are  co ntin uous ly   sent  to  serv er s  without  wait ing   f or  respon se  m es sages,   th us   av oidi ng   congesti on.           Figure  4 .  Re qu est  m essage  m anag em ent throug h  a  Lo WPAN  borde r  r ou te r       The  best  DCR   valu e(s )  for  e ach  se r ver   gro up  siz e  a re  obta ined  from   app r oxim a ti on   ba sed  on  t he   fo ll owin g  proc ess:  1)   Fin ding   DCR  based   on  le isure.   T he  resu lt s  are  the  DCR  values  a nd   a ver a ge  res pons e   tim e  in  diff e re nt  gro up  siz es.   2)   T he  values   are  the n  put  into  a  le ast   squ ares  ap pro xim at ion   f unct ion.   3)   T he   relat ive  m ini m um s  that  pr oduc e  the  le ast   aver age  r esp onse   tim es   in  each  gro up   siz e  are  ob ta ine d.   T he  detai ls   of each  step a r e ex plaine d  in   Sect ion s  3.1. t o 3.3.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   3 ,  June   201 9   :   1997   -   2005   2002   3.1.   D C R  c alculat i on   ba se d  on  Lei sure   We  can  fin d  th e  values  of   DC R  based   on  le isure  [8 ] .  Give n  the  ser ver   gro up   siz e  (G),  t he   ta rg et   data   trans fer   rate (R ),  a nd the  esti m at ed  respo nse  size (S ), t he DCR  can  b e  ca lc ulate d  us in g  t he  E quat ion ( 9) :     11   lo w e r b o u n d L e is u r e SG D C R G R ( G )       ( 9 )     In   our   ex per im ents,  t he  val ue  of   G  was  betw een  3  a nd  23,   S  was   ap pro xi m at ely  80   byte s,  an d  R  was   set   to  a  co ns e r vative  8kbits/ s  (1   kB/s) .  T he   lowe r  bound  for  the  le is ur e   was  betwee n  120  m s  and   83  m s.    Using  E quat io n   ( 9 ) ,  we  see  a  decr ease  in  D CR   values  sta r ti ng   from   12 0  m s.   W e  the refor e  us ed  a  DC R  ran ge   betwee n  0 - 12 0  and   m easur e d  the  aver a ge  r esp on se  ti m es  for  dif fer e nt  gro up  siz es  (G   =  3,   5,  10,  15 ,  20,     and 25  node s) by r unni ng sim ulati on s  u si ng the C ooj a sim ulator. Fig ur e  5 s hows  t he res ults in C ooj a.           Figure  5 .  Re spon s e ti m es f or   diff e re nt grou p si zes as a  fun c ti on   of the  dela y betwee n  c onsecuti ve req ues ts,  evaluate d usin g  C ooj a sim ulator       3.2.   D C R app rox im at i on s   To  est im at e  th e  value   of  the  op ti m u m     DCR,  we  us e  t he  data  f ro m   Sect ion   3.1  to   pl ot  a  gr a ph  us in g  the  le ast   sq uares  m et ho d.   T he   gr ap h  is  the  best  m at he m at i cal   rep rese ntati on   of   the  relat ion s hi p  betwee n  DCR  and ave ra ge  r e sp onse  tim es wi th m ini m iz ed  eff ect s  from  d at a error, as  sho wn in Fi gure   6 .     3.3.   Rel at i ve m ini mum for  each gr ou p  siz e   The  relat ive  m ini m u m   that  p rod uces  the  le ast   aver age  res pons e  ti m e   in  each  gro up  is  determ ined  from   the  gr ap h  of   DCR  va lue s  from   Sect ion   3.2.  G r oups   c om pr isi ng   3  a nd   5  ser ve rs  yi el d  a  DCR  of  0.02 s .   The  value   inc r eases  f or  gr oup  siz es  10,  15,   20,  a nd  25  to   0.0 3  s ,  0.04  s,   0.0 9  s   an d  0.10  s,   res pecti ve ly ,  as   sh ow n  in  Fi gur e 7 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       An a pp r oxim at ion   delay  b et w een c onsecuti v e req uests  f or  c ongestio n  c ontrol in… ( Chanwit S u wann apon g )   2003       Figure  6 .  DCR  appr oxim a ti on  for  eac h g rou p si ze           Figure  7 .  Re la ti ve  m ini m u m  f or each  grou p  s iz e       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   3 ,  June   201 9   :   1997   -   2005   2004   Figure   6  an d  Figure  7  s how   the  res ults  of   tho se  e xperim ents.  I n  e ver y  exp e rim ent,  the  Lo WPA N   bor der   r oute r  s ends  co ns ec utive  re qu est   m es sages  to  se rv e r   nodes  at   the  sa m e  rate.  Each  exp e rim ent  yi el ded  a   si m il ar  patte rn   for  each  gro up  siz e.  The  init ia l  par t  of   t he  grap hs   s how  a  hi gh   a ver a ge  res pons e  ti m e  bec aus e   the  DCR  valu e  was  low,  re su lt ing   in  requ est   m essages  bein g  sent  to o  rap idly   an d  c ausin g  co ngest ion   as   respo ns e  m ess age  pac kets  f r om   m ul ti ple  serv e r  no des  overwhelm   the  bo r der   r ou te r .  B ut  as  the  D CR   value   increases ,  the  m essage  sen d  r at e  beco m es  m or e  s uited  to  th e  networ k' s  capaci ty ,  resu lt in g  in  lo wer   a nd   lowe r  aver a ge  res ponse   tim es  un ti l  a   m ini m u m   aver age   res pons e   tim e  is  reache d.  Af te r  this   poi nt  the  res pons e   tim e   sta rts to  i ncr ea se agai n  as t h e  DCR i nc reases  due to  the  hi gher  d el ay  inse r te d  into  the  border  rou te r.     3.4.   D C R  es timat i on   Af te r  t he  relat ive  m ini m u m   is  found  in  S ect ion   3.3 ,  the y  are  v erifie d  throu gh   e xpe rim entation .     In  orde r  t o  e valuate  t he  pe rfor m ance  of  our  pro posed   so luti on,   we   us e  sim ulati ons.  T o  determ i ne  the  perform ance  t he   of   the  DC R  inserted  bet ween   c on s ecu ti ve  un ic ast   r equ e sts  for  group  com m un ic at ion  betwee n  a  sin gl e g at eway a nd  m ult iple ser ve rs,   we use t he  Cooja  netw ork  sim ulator.   The  fo ll owin g  ind ic at ors  a re   obser ve d  f rom   the  si m ulatio ns :  t he  a ver a ge  re spo ns e  ti m e,  the  tim e  ta ken   by  ser vers  to  res pond  to   un ic ast   c omm un ic at io n,   t he  hop  c ount  (t he  nu m ber   of   rout ers  each   pac ket   go e s  thr ough  to  rea ch  it s  de sti n at ion),  a nd  the   pa cket  loss   rati o.   The  set ti ng s  f or   t hese  e xperi m ents  are  detai le d  in   Table  1.       Table  1.   E val ua ti on   E xperim e nts S et ti ngs   No d e T y p e   Z1  m o te   Co n tik i versio n   Media Ac cess  Co n trol (M AC)   Co n tik i 3.0     Carrie r  Sen se  Mult ip le Acc ess   (CSM A)   Rad io   Frequ en cy  ( RF)   IE E E  8 0 2 .15 .4 ch an n el 15   Ro u tin g   Proto co l:   RPL   Co AP   Grou p  size:   3  no d es   5  no d es   1 0  no d es   1 5  no d es   2 0  no d es   2 5  no d es   DCR :   0 .02  s   0 .02  s   0 .03  s   0 .04  s   0 .09  s   0 .10  s       The  e xp e rim e nts  in vo l ve  se nd i ng   re qu est   m essages  f ro m   a  Lo WPAN   bor der   r ou te r  t o  a  group  of   serv e r  nodes  wh il e  util iz ing  the  DCR  va lu es  obta ined  i n  Sect ion   3.2  to  con t ro l  the  m essage  rate.  F or  each   gro up   siz e ,  a  total   of   50  sim ulati on s  a re  ca rr ie d  out.  T he  resu lt s  c onfirm   the  ef fecti veness  of  ou r  pro pos e d  so luti on,  as   s how n  i n  Ta ble  2.       Table  2.   Su m m ary o f   the  Resu lt s o f  t he  E xper i m ents     Grou p  Size     DCR   Ho p  cou n t ( h )   Res p o n se ti m e  ( s)   Pack et los s (%)   Min   Av erage   Max   Min   Av erage   Max   Min   Av erage   Max   3   0 .02   1   1 .00   1   0 .17   0 .17   0 .17   0   0   0   5   0 .02   1   1 .00   1   0 .26   0 .26   0 .26   0   0   0   10   0 .03   1   1 .20   2   0 .78   0 .79   0 .79   0   0   0   15   0 .04   1   1 .73   3   1 .57   1 .58   1 .59   0   0   0   20   0 .09   1   1 .65   3   2 .64   2 .67   2 .69   0 .2   0 .3   0 .4   25   0 .10   1   1 .80   3   3 .90   3 .91   3 .93   0 .7   0 .8   1 .0       In   te rm s  of   res pons e  ti m e,  th e  resu lt s  sho w  that  for  sm alle r  gro up   siz es  ( 3  an d  5),  a  DC R  of   0.0 2  s   pro du ces   an  a ve rag e  res pons e   tim e  of   0.1 7  s  and  0.2 6  s,   res pecti vely .  T he  aver a ge  respo nse   tim e  increases  as   the num ber   of   neig hbors inc r eases, a  res ult of  a  higher n um ber  o f  c olli sion s  in  a s har e d m ediu m .   Re gardin g  pac ket  loss ,  a n  im portant  i nd ic at or,  gr oups   c on ta ining   le ss   th an  20   node s  e xp e rience   an  aver a ge  pac ket  loss  of  0% ,  or  no  l os s.   I n  gro ups  la r ger  th an  20  no des,   t he  per ce ntage   sta rts  to  inc rea se  to  0.3%,   an d  kee ps   i ncr easi ng  as  the  gro up  s iz e  gro ws.  Thi s  is  du e   to   the   highe r  node   de ns it y  causi ng  m or e   colli sion s  betw een  gro up  m e m ber s.  Anothe r  possible  f act or   is  that  in  la r ger   gro up s ,  the re  is  a  higher  a ver a ge   hop  co unt.  Co m m un ic at ion   be tween  the  L oWP A N  bord e r  router  an d  the  serv e r  re qu i res   m or e  hops ,  re su lt ing   in m or e dro ppe d  m essages  befor e  they e ven t ually  r each  the ir d est inati on.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       An a pp r oxim at ion   delay  b et w een c onsecuti v e req uests  f or  c ongestio n  c ontrol in… ( Chanwit S u wann apon g )   2005   4.   C O NC L US I O N   This  rese arc h  pro po ses   a  m e ans  to  a void  netw ork  c onge sti on   in  l ow   powe r  a nd   l os s y  networ ks  durin g  unic ast   gro up  c ommun ic at io n  by  i ntr oducin g  de la ys  between   consecuti ve  re qu e sts  to  lim i t  the  m essage  sen d  rate.  It  al so   pr esents  a  way  to  obta in  the  pr op e r  DCR  val ue  f or   eac h  ne twork  group  si ze  by  us in g  t he  def a ult  le isure   pe ri od  in   the  re quest /resp on se   la ye r  of  t he  C oAP  prot oco l,   a nd  ap plyi ng  th e  le ast   sq ua res  appr ox i m ation  m et hod  to  f i nd the  re la ti ve  m ini m um  D CR .   To  e valuate  t o  the  vali dity   an d  perform ance  of  this  m et hod,   t he  C ooj a   sim ula tor  is  us e d  to   sim ulate  diff e re nt  DCR  values  in  net works  unde r  va rio us   co nd it io ns   as  def i ned   by  each  ex per i m ent.  The  res ults  are  analy zed  a nd   evaluate d.   E xperim ents  confirm   that  the  m et ho d  pro posed  in  t his  re s earch  is  e ff ect ive  f or   avo i ding  net w ork  co ngest io n  caused   by  uni cast   group  c om m un ic at ion   in  Co AP ,  with  al l  m anag e m e nt  bein g  virtu al ly   on  th e  send e r  side .  I t  is  able  to  eff e ct ively   red uce  the  com m un ic at ion   w orkl oad  on   t he  ser ver   s ide  of   the Co AP p ro t oco l.  I t i s  su it a ble for  gr oup  c omm un ic at ion   an d p r ov i des  e xcell ent scal ab il ity.       REFERE NCE S     [1]   N.  L .   Moham ed ,   et  al .,   “ Perform anc e  o f  Non - Uniform   Dut y - C y c le dCont iki MA C  in   W ireless  S ensor  Networks, ”  Inte rnational   Jo urnal  of El e ct ri c al  and  Comput er  Engi n ee ring   ( IJE CE ) ,   v ol /i ss ue:   7 ( 2 ) ,   pp .  942 - 949,   2016 .   [2]   S.  Navulur ,   et   al .,   “ Agric ult ura l  Mana gement  t hrough  W ire le ss   Sensors   and  Inte rne t  of  Thi ngs , ”  Inte rnationa l   Journal  of   Elec t rical   and   Computer  Eng ine ering   ( IJE CE ) ,   v ol /i ss ue:   7 (6) ,   pp .   349 2 - 3499 ,   201 7.   [3]   M.  Kovatsc h,   et   al .,   “ A  Low - Po wer  CoAP   for   C onti ki , ”  IEEE  Eighth  Inte rnation al  Confe renc e  on  Mobil e  Ad - Ho c   and  Sensor Sy st e ms ,   Vale n ci a ,   sp ai n ,   pp.   855 - 860,   2011.   [4]   Inte rne t  Eng ineeri ng  T ask  Force   (I ET F),  “ Group  Com m unic at ion  for   the  C onstrai ned  Appl ic a ti on  Protoco l   (CoAP ), ”   2014 .   Ret ri eve d  f rom : https:/ / to ols.iet f . org/ht m l/ rfc 739 0 .   [5]   I.   Ishaq ,  e t  al . ,   “ Flexi ble   Unic a st - Based  Group  Com m unic at ion  for  CoAP - Ena ble d  Devices,”   S ensors ,   v ol /i ss ue:   14(6),   pp .   9833 – 9877,   2014 .   [6]   M.  Ti loca,   et   a l . ,   “ Axiom :  DTLS - base d  sec ure   IoT  group  comm unic at ion, ”  ACM  Tr ansacti ons  on  Embe dd ed  Computing  Syst e ms ,   vol /i ss ue:   16 (3),   pp .   1 - 29 ,   20 17.      [7]   I.   Ishaq ,  e t  al . ,   “ Expe riment al   ev al ua ti on  of   unicast  and  m ultic ast  co ap  group  co m m unic at ion, ”   S ensors ,   vol /i ss ue :   16(7),   2016 .     [8]   C.   Hou,   et  al .,   “ SeaHtt p:  A  res ourc e - ori ented  protoc ol  to  exten d  REST  sty le   f or  web  of  thi ng s,”   Journal  of  Computer  Scien ce   and   Techno lo gy ,   vo l /i ss ue:   29 (2),   pp .   205 - 215 ,   2014.     [9]   F.  Ouaka ss e  a nd  S.  Rakr ak,  “ An  Adapti v e  Soluti on   for   Congesti on  Control   in   Co AP - base d  Group  Com m unic at ions,”   Inte rnat ional  Journal  of  Adv a nce d  Computer  Sci en ce   and  App li cations ,   vol / issue:   8(6),   pp .   234 - 239,   2017 .     [10]   C.   Fan  and  C.   Liu,  “ A  novel   al gorit hm   for  ci rcle  c urve   fit t ing  base d  on  the   le ast  sq uar e  m et hod  b y   t he  point s  of  the   Newton’s  rings, ”  Inte rnationa l  Confe renc e  on  Computers,  Comm unic a ti ons  and  Syste ms ,   G y ongsan,   Korea ,   pp.   256 – 260,   2015 .   [11]   I.   K.  Ba y er  and   S.  Soni  “ Le ast  Square   Approxim at ion  Techni q ue  for  Ene rg y   Conserva ti on  in   W ire le ss   Senso r  Networks ,”   Int ernati onal  Con fe renc e  on  Control,   Instrum ent ati on ,   Comm unic ati on  an d  Computati on al   Technol ogi es  ( ICCICCT ) ,   Ta m il nadu,   Ind ia,  pp .   886 - 889 ,  2014.   [12]   J.  L .   Buch ana n   a nd  P.  R .   Turn er,  “ Nu m eri ca l   Met hod  and  An aly si s , ”   New York ,   McGraw - Hill ,   1 992.   [13]   Inte rne t  Engi n e e ring  Ta sk  Force   (IE TF),   “ The   Constrai ned  Appli ca t ion  Protocol   (CoAP ), ”  2014 .   Ret ri eve d  from :  htt ps:// tool s.i et f . org/ht m l/ rfc 725 2 .       BIOGR AP HI ES OF  A UTH ORS          Ch anw it  Su w a nn apo ng   rec ei v ed  a  B. Eng.   and   M.E ng.   degr e e   in  computer   engi nee r ing  from  Khon  Kae n   Un ive rsit y ,   Tha i land  in  2011  an d  2013  respe ct i vely .   He  has  publi shed  m an y   publi c at ions  in  t he  ar ea of  W ir eless   Sensor Net work,  Ad Hoc   Net works   and  Sm art Agric ul ture.     Ch atc hai  Khu n boa   is  an  associa t e  profe ss or  in   the   Dep art m ent  of  Com pute r  E ngine er ing  a t  Khon  Kae n  Univer sit y ,   Tha i la nd .     Dr.  Khunboa  r ec e ive d  a  B . Eng   from   Khon  Kae n  Univer sit y   in   1992,   his  MS c  degr ee   in  T elec om m unic at ions  from   Univer sit y   of  Pitt sburgh  in  2000,   and  Ph D   degr ee   in  Inform at ion  T ec hno log y   from   Ge orge   Mason Unive rsity   in  2005 .   Hi s res ea rch   in te r ests  inc lud e  W ireless Sensor Ne twork ,   Int ern e t  of   Things   and  Softwar e  def ine d   Netwo rks (SD N).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.