Convergência de redes sem fios para comunicações M2M e internet das coisas em ambientes inteligentes

Actualmente, os Ambientes Inteligentes (AmI) estão a emergir através da convergência entre as redes de comunicação sem fios, a microelectrónica e a Internet. Este tipo de aplicações cria novas perspectivas no âmbito da partilha de informação dentro das sociedades humanas, ao mesmo tempo que surgem ideias inovadoras envolvendo espaços, objectos e entidades físicas com as quais lidamos diariamente. Com os AmI e as redes de comunicação, a partilha de informação passa a englobar coisas físicas que geram e disponibilizam dados sobre si mesmas. Nesta dissertação foram enquadradas as tecnologias de informação e a convergência entre redes de comunicação sem fios heterogéneas que suportam as aplicações dos AmI. Daqui surgem dois conceitos extremamente relevantes: a Internet of Things (IoT) e as comunicações Machine-to-Machine (M2M). A IoT, além de fornecedora de serviços virtuais, integra objectos físicos com representação virtual, interligados em rede para partilharem informação sobre vários factores. As comunicações M2M resultam da convergência de redes heterogéneas que permitem a comunicação directa entre dispositivos e objectos sem qualquer intervenção humana. A IoT é no fundo a base principal para a interligação das várias redes M2M entre objectos. As comunicações M2M são formadas por dois tipos de sub-redes: redes capilares e redes celulares. As redes capilares são compostas pelos dispositivos e os objectos embutidos nos ambientes inteligentes, que geram e difundem dados. As redes celulares são a espinha dorsal para a partilha destes dados através da Internet e centros de dados. As redes de sensores sem fios (RSSF), em conjunto com a norma IEEE 802.15.4, foram abordadas nesta dissertação para integrarem as redes capilares. As RSSF são redes com ritmos de transmissão e potência reduzida, que possibilitam o desenvolvimento de uma vasta variedade de aplicações AmI. Foi elaborado um estudo sobre a eficiência energética dos dispositivos RSSF disponíveis no mercado. A interligação das RSSF com a Internet é possível através da atribuição de endereços IPv6 aos dispositivos das RSSF. A camada de adaptação 6LoWPAN possibilita a atribuição de endereços IPv6 com overheads bastante reduzidos. Para permitir a máxima eficiência das RSSF, integradas com a IoT, foi adoptado o protocolo de encaminhamento RPL, desenvolvido no âmbito das redes 6LoWPAN. A contribuição principal desta dissertação centra-se na identificação e resolução de problemas ao nível do encaminhamento nas RSSFs, e no estudo de algumas métricas utilizadas para calcular o custo dos encaminhamentos entre nós. O protocolo RPL foi implementado no simulador OMNeT++ com o objectivo de analisar os resultados e os comportamentos das métricas de custo ETX, HOP-COUNT e RSSI. O ETX atingiu os melhores resultados para o débito binário útil, entre 75 % e 95 %, enquanto o HOP-COUNT tem resultados abaixo do 50 %. Contudo, o HOP-COUNT tem tempos de convergência superiores e latências inferiores. Com o RSSI obtêm-se resultados modestos e provou-se ser esta uma métrica de custo bastante precisa e equilibrada em todos os resultados.Nowadays, Ambient Intelligent (AmI) applications are emerging from the convergence between wireless networks, microelectronics, and Internet. The development of this kind of applications creates new perspectives on information sharing inside human societies, while new innovative ideas arise, involving spaces, objects and physical entities, which we deal with every day. With AmI and communication networks, information sharing is no longer only between and for the people, to encompass physical things that generate and provide data and information of themselves. One of the objectives of this thesis is to address the information technologies as well as the convergence between heterogeneous wireless networks that support the AmI applications. In this context two extremely important concepts arise: the Internet of Things (IoT) and the Machine-to-Machine (M2M) communications. The IoT is, beyond a virtual service provider, the integration of physical objects with virtual representation, networked together to share information about various factores of the surrounding environment. In turn, M2M communications result from the convergence of heterogeneous networks that allow direct communication between devices and objects, with no human intervention. The IoT is basically the main base for the interconnection between objects of M2M networks. M2M communications are composed by two types of sub-networks: capillary and cellular networks. Capillary networks are composed of devices and objects that are embedded in the AmI, while generate and disseminate relevant data about themselves. Cellular networks participate, as the necessary backbone, to share this data over the Internet and data centers. Wireless Sensor Networks (WSN) ate low rate and low power networks that enable the development of a wide variety of AmI applications. In this thesis, the adoption of WSN and IEEE 802.15.4 standard for the capillary networks were assumed. A study was conducted on the energy efficiency and lifetime of the WSN devices available on the market. The interconnection of WSNs with the Internet is possible by assigning IPv6 addresses to lowpower devices. The 6LoWPAN adaption layer enables the IPv6 addresses assignment with low levels of overhead. To facilitate maximum efficiency of WSN, integrated with IoT, the routing protocol RPL was adopted, developed to be compatible with 6LoWPAN networks. The main contribution of this thesis is on identifying and solving problems at the level of routing in WSN, and a study of specific metrics used to calculate the forwarding cost between nodes. The RPL protocol was implemented on OMNeT++ simulator with the objective of analyze the results and behaviors of ETX, HOP-COUNT and RSSI routing metrics. ETX achieved the highest goodput results, between 75 % and 95 %, while HOP-COUNT has results above 50 %. However, HOP-COUNT has the fastest convergence times and the shortest latencies. In turn, RSSI has modest results but proved to be very accurate and a balanced metric for every set of results