Routing and Reliability Improvements in WM-Bus protocol for smart cities

In a smart city, accounting information such as gas and electricity usage is gathered by meter nodes and sent to the collector node. A trade-off between the location of meters and the best quality communication signal is often needed and difficult to achieve for urban constraints and other communication signals. Meters can have limited resources such as memories and CPU. The thesis presents two routing extensions of the WM- Bus which is an open standard protocol for smart metering systems for improved performance and routing in a dense mesh utility network. The former extension is called NARUN: Noise Adaptive Routing in Utility Net- works. In NARUN, the collector calculates the path with the least noise to reach the destination meter. A weighted network graph that shows the connections among me- ters is used, where an edge weight defines the link failure index. No control messages are used to keep the weights updated. Meters report link failure index back to the collector by means of ordinary reading messages. The latter extension is NARUN-PC: NARUN with path cache. NARUN-PC ex- tends NARUN by introducing a caching strategy in the collector node. This thesis presents models and simulations of these two extensions. Performances have been evaluated in a real-life topology where a subset of the edges is affected by different levels of noise. Results show that NARUN has the lowest failure rate and traffic compared to the DSR protocol when the noise power is higher than -73 dBm. NARUN-PC decreases the traffic load and failure rate with respect to NARUN when the noise power is higher than -73 dBm

Innovative Technologies and Services for Smart Cities

A smart city is a modern technology-driven urban area which uses sensing devices, information, and communication technology connected to the internet of things (IoTs) for the optimum and efficient utilization of infrastructures and services with the goal of improving the living conditions of citizens. Increasing populations, lower budgets, limited resources, and compatibility of the upgraded technologies are some of the few problems affecting the implementation of smart cities. Hence, there is continuous advancement regarding technologies for the implementation of smart cities. The aim of this Special Issue is to report on the design and development of integrated/smart sensors, a universal interfacing platform, along with the IoT framework, extending it to next-generation communication networks for monitoring parameters of interest with the goal of achieving smart cities. The proposed universal interfacing platform with the IoT framework will solve many challenging issues and significantly boost the growth of IoT-related applications, not just in the environmental monitoring domain but in the other key areas, such as smart home, assistive technology for the elderly care, smart city with smart waste management, smart E-metering, smart water supply, intelligent traffic control, smart grid, remote healthcare applications, etc., signifying benefits for all countries

Ortsbezogene Anwendungen und Dienste: 9. Fachgespräch der GI/ITG-Fachgruppe Kommunikation und Verteilte Systeme ; 13. & 14. September 2012

Der Aufenthaltsort eines mobilen Benutzers stellt eine wichtige Information für Anwendungen aus den Bereichen Mobile Computing, Wearable Computing oder Ubiquitous Computing dar. Ist ein mobiles Endgerät in der Lage, die aktuelle Position des Benutzers zu bestimmen, kann diese Information von der Anwendung berücksichtigt werden -- man spricht dabei allgemein von ortsbezogenen Anwendungen. Eng verknüpft mit dem Begriff der ortsbezogenen Anwendung ist der Begriff des ortsbezogenen Dienstes. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen Dienst, der Informationen über den aktuellen Standort übermittelt. Mittlerweile werden solche Dienste kommerziell eingesetzt und erlauben etwa, dass ein Reisender ein Hotel, eine Tankstelle oder eine Apotheke in der näheren Umgebung findet. Man erwartet, nicht zuletzt durch die Einführung von LTE, ein großes Potenzial ortsbezogener Anwendungen für die Zukunft. Das jährlich stattfindende Fachgespräch "Ortsbezogene Anwendungen und Dienste" der GI/ITG-Fachgruppe Kommunikation und Verteilte Systeme hat sich zum Ziel gesetzt, aktuelle Entwicklungen dieses Fachgebiets in einem breiten Teilnehmerkreis aus Industrie und Wissenschaft zu diskutieren. Der vorliegende Konferenzband fasst die Ergebnisse des neunten Fachgesprächs zusammen.The location of a mobile user poses an important information for applications in the scope of Mobile Computung, Wearable Computing and Ubiquitous Computing. If a mobile device is able to determine the current location of its user, this information may be taken into account by an application. Such applications are called a location-based applications. Closely related to location-based applications are location-based services, which for example provides the user informations about his current location. Meanwhile such services are deployed commercially and enable travelers for example to find a hotel, a petrol station or a pharmacy in his vicinity. It is expected, not least because of the introduction of LTE, a great potential of locations-based applications in the future. The annual technical meeting "Location-based Applications and Services" of the GI/ITG specialized group "Communication and Dsitributed Systems" targets to discuss current evolutions in a broad group of participants assembling of industrial representatives and scientists. The present proceedings summarizes the result of the 9th annual meeting

Robotix-Academy Conference for Industrial Robotics (RACIR) 2019

Robotix-Academy Conference for Industrial Robotics (RACIR) is held in University of Liège, Belgium, during June 05, 2019. The topics concerned by RACIR are: robot design, robot kinematics/dynamics/control, system integration, sensor/ actuator networks, distributed and cloud robotics, bio-inspired systems, service robots, robotics in automation, biomedical applications, autonomous vehicles (land, sea and air), robot perception, manipulation with multi-finger hands, micro/nano systems, sensor information, robot vision, multimodal interface and human-robot interaction.

Design and Evaluation of a Hardware System for Online Signal Processing within Mobile Brain-Computer Interfaces

Brain-Computer Interfaces (BCIs) sind innovative Systeme, die eine direkte Kommunikation zwischen dem Gehirn und externen Geräten ermöglichen. Diese Schnittstellen haben sich zu einer transformativen Lösung nicht nur für Menschen mit neurologischen Verletzungen entwickelt, sondern auch für ein breiteres Spektrum von Menschen, das sowohl medizinische als auch nicht-medizinische Anwendungen umfasst. In der Vergangenheit hat die Herausforderung, dass neurologische Verletzungen nach einer anfänglichen Erholungsphase statisch bleiben, die Forscher dazu veranlasst, innovative Wege zu beschreiten. Seit den 1970er Jahren stehen BCIs an vorderster Front dieser Bemühungen. Mit den Fortschritten in der Forschung haben sich die BCI-Anwendungen erweitert und zeigen ein großes Potenzial für eine Vielzahl von Anwendungen, auch für weniger stark eingeschränkte (zum Beispiel im Kontext von Hörelektronik) sowie völlig gesunde Menschen (zum Beispiel in der Unterhaltungsindustrie). Die Zukunft der BCI-Forschung hängt jedoch auch von der Verfügbarkeit zuverlässiger BCI-Hardware ab, die den Einsatz in der realen Welt gewährleistet. Das im Rahmen dieser Arbeit konzipierte und implementierte CereBridge-System stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Brain-Computer-Interface-Technologie dar, da es die gesamte Hardware zur Erfassung und Verarbeitung von EEG-Signalen in ein mobiles System integriert. Die Architektur der Verarbeitungshardware basiert auf einem FPGA mit einem ARM Cortex-M3 innerhalb eines heterogenen ICs, was Flexibilität und Effizienz bei der EEG-Signalverarbeitung gewährleistet. Der modulare Aufbau des Systems, bestehend aus drei einzelnen Boards, gewährleistet die Anpassbarkeit an unterschiedliche Anforderungen. Das komplette System wird an der Kopfhaut befestigt, kann autonom arbeiten, benötigt keine externe Interaktion und wiegt einschließlich der 16-Kanal-EEG-Sensoren nur ca. 56 g. Der Fokus liegt auf voller Mobilität. Das vorgeschlagene anpassbare Datenflusskonzept erleichtert die Untersuchung und nahtlose Integration von Algorithmen und erhöht die Flexibilität des Systems. Dies wird auch durch die Möglichkeit unterstrichen, verschiedene Algorithmen auf EEG-Daten anzuwenden, um unterschiedliche Anwendungsziele zu erreichen. High-Level Synthesis (HLS) wurde verwendet, um die Algorithmen auf das FPGA zu portieren, was den Algorithmenentwicklungsprozess beschleunigt und eine schnelle Implementierung von Algorithmusvarianten ermöglicht. Evaluierungen haben gezeigt, dass das CereBridge-System in der Lage ist, die gesamte Signalverarbeitungskette zu integrieren, die für verschiedene BCI-Anwendungen erforderlich ist. Darüber hinaus kann es mit einer Batterie von mehr als 31 Stunden Dauerbetrieb betrieben werden, was es zu einer praktikablen Lösung für mobile Langzeit-EEG-Aufzeichnungen und reale BCI-Studien macht. Im Vergleich zu bestehenden Forschungsplattformen bietet das CereBridge-System eine bisher unerreichte Leistungsfähigkeit und Ausstattung für ein mobiles BCI. Es erfüllt nicht nur die relevanten Anforderungen an ein mobiles BCI-System, sondern ebnet auch den Weg für eine schnelle Übertragung von Algorithmen aus dem Labor in reale Anwendungen. Im Wesentlichen liefert diese Arbeit einen umfassenden Entwurf für die Entwicklung und Implementierung eines hochmodernen mobilen EEG-basierten BCI-Systems und setzt damit einen neuen Standard für BCI-Hardware, die in der Praxis eingesetzt werden kann.Brain-Computer Interfaces (BCIs) are innovative systems that enable direct communication between the brain and external devices. These interfaces have emerged as a transformative solution not only for individuals with neurological injuries, but also for a broader range of individuals, encompassing both medical and non-medical applications. Historically, the challenge of neurological injury being static after an initial recovery phase has driven researchers to explore innovative avenues. Since the 1970s, BCIs have been at one forefront of these efforts. As research has progressed, BCI applications have expanded, showing potential in a wide range of applications, including those for less severely disabled (e.g. in the context of hearing aids) and completely healthy individuals (e.g. entertainment industry). However, the future of BCI research also depends on the availability of reliable BCI hardware to ensure real-world application. The CereBridge system designed and implemented in this work represents a significant leap forward in brain-computer interface technology by integrating all EEG signal acquisition and processing hardware into a mobile system. The processing hardware architecture is centered around an FPGA with an ARM Cortex-M3 within a heterogeneous IC, ensuring flexibility and efficiency in EEG signal processing. The modular design of the system, consisting of three individual boards, ensures adaptability to different requirements. With a focus on full mobility, the complete system is mounted on the scalp, can operate autonomously, requires no external interaction, and weighs approximately 56g, including 16 channel EEG sensors. The proposed customizable dataflow concept facilitates the exploration and seamless integration of algorithms, increasing the flexibility of the system. This is further underscored by the ability to apply different algorithms to recorded EEG data to meet different application goals. High-Level Synthesis (HLS) was used to port algorithms to the FPGA, accelerating the algorithm development process and facilitating rapid implementation of algorithm variants. Evaluations have shown that the CereBridge system is capable of integrating the complete signal processing chain required for various BCI applications. Furthermore, it can operate continuously for more than 31 hours with a 1800mAh battery, making it a viable solution for long-term mobile EEG recording and real-world BCI studies. Compared to existing research platforms, the CereBridge system offers unprecedented performance and features for a mobile BCI. It not only meets the relevant requirements for a mobile BCI system, but also paves the way for the rapid transition of algorithms from the laboratory to real-world applications. In essence, this work provides a comprehensive blueprint for the development and implementation of a state-of-the-art mobile EEG-based BCI system, setting a new benchmark in BCI hardware for real-world applicability

How community innovation works : a material-semiotic analysis of the wireless Leiden Wi-Fi network

Het doel van dit proefschrift is op basis van empirisch onderzoek op het terrein\ud van informatie- en communicatietechnologie een bijdrage te leveren aan\ud theorievorming over innovatiepraktijken door gebruikers. Dat doe ik door innovatie\ud door gebruikers vanuit een materieel-semiotisch perspectief te analyseren\ud als gemeenschapsinnovatie. In dit proefschrift staat de vraag centraal hoe\ud gemeenschapsinnovatie in de praktijk werkt

The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird

State of the Art and Future Perspectives in Smart and Sustainable Urban Development

This book contributes to the conceptual and practical knowledge pools in order to improve the research and practice on smart and sustainable urban development by presenting an informed understanding of the subject to scholars, policymakers, and practitioners. This book presents contributions—in the form of research articles, literature reviews, case reports, and short communications—offering insights into the smart and sustainable urban development by conducting in-depth conceptual debates, detailed case study descriptions, thorough empirical investigations, systematic literature reviews, or forecasting analyses. This way, the book forms a repository of relevant information, material, and knowledge to support research, policymaking, practice, and the transferability of experiences to address urbanization and other planetary challenges

Anti-war and the cyber triangle : strategic implications of cyber operations and cyber security for the state

[From the introduction:]The main driver for this choice of research was the growing influence of Internet-related issues in contemporary politics in various fields. 2009 saw an intensification of this link between information and communication technologies and international relations, particularly in the field of intelligence and military, with the revelation of notorious cyber operations such as AURORA, Ghostnet and Night Dragon (see chapter II). While those events started to attract the broader attention of academics, it was not until the discovery of the Stuxnet malware in 2010 (see chapter IV) that the issue gained momentum in other fields as well. A computer malware targeting a nuclear enrichment facility in a foreign country amidst a latent conflict certainly raised a lot of questions that demanded answers. Its sophisticated design and potential implications for international relations as well as strategic studies was one of the main inspirations for this research.While the emergence of literature on espionage and sabotage in conjunction with the Internet can be traced back to the 1990's, Kello recognises that even in 2013 it remains a weakly developed area, stating that '[t]he range of conceivable cyber conflict is poorly understood by scholars and decision-makers, and it is unclear how conventional security mechanisms, such as deterrence and collective defence apply to this phenomenon' (Kello, 2013: 7). Thus, the aim of this research is to contribute to the literature in this way '[…] in addition to elucidating empirical cyber events, scholars can guide the design of policies to affect them' (Kello, 2013: 38-39). Undertaking research in a field which is state-of-the-art and therefore, highly volatile, presents a particular academic challenge. It does also however enable a researcher to make a potentially crucial contribution, a dent, in the current debate. In areas of research in a vacuum exists, it is imperative for scholars to contribute to filling up that academic lacuna. The main outcome therefore is supposed to be a contribution to the academic debate on the strategic relevance and conduct of cyber operations and the state’s response to it. The intellectual tools developed as part of this research may be of future use for policy-makers. The underlying question for the research is: What are the strategic implications of cyber operations for the state?The Economist recently saw 'intensifying cyber threats' as one of the top challenges for 2014 (The Economist, 2014). The revelations of the past years, starting with Stuxnet, Operation AURORA, APT-1, Red October and activities derived from the NSA Documents revealed by whistleblower Edward Snowden indicate that this threat will not abate soon. More and more states are readying themselves for future conflicts by developing defensive as well offensive cyber operations capabilities (Lewis, 2013b: 9-55). The latest domain for conflict resolution is currently being explored and exploited too by a growing number of different stakeholders. Based on the increased number of stakeholders and the intensity and number of occurrences of said events (see section 3.5 and appendix), its contemporary relevance is high and has been increasing for several years and looks set to continue. Guiding principles in the field of strategy is an important part of this development. Though the debate on strategic implications of cyber operations started in the early 1990's, and promoted under the auspices of the RAND Corporation, '[i]ntellectually, we are in a position not unlike that faced 65 years ago as we began to develop our thinking about nuclear weapons' (Kramer, 2012: I). Nye agrees, stating that 'in comparison to the nuclear revolution in military affairs, strategic studies of the cyber domain are chronologically equivalent to 1960 but conceptually more equivalent to 1950. Analysts are still not clear about the lessons of offense, defense, deterrence, escalation, norms, arms control, or how they fit together into a national strategy' (Nye, 2011: 19). Thus, an intensive academic analysis of this field is pivotal, especially within the framework of strategic studies, in order to enable strategic adaptation and decision-making (Kello, 2013: 14). The timeliness of events, paired with the lack of a properly developed strategic framework, signify the increased contemporary relevance for research of the strategic implications of cyber operations for the state.Definitions are very important in political science, and only more so for research in the field of cyber operations. In the absence of commonly agreed upon definitions for cyber operations, and a multitude of other terms such as cyber warfare, digital warfare, information warfare, electronic warfare (see sub-sections 3.1 and 3.2 as well as section 4) which are at once related and disparate, mean that clarity in definitions is centrally important. While definitions might normally differ slightly, all elements included in the definition of cyber operations might vary. This includes the stakeholders (and their representation as entity in the cyber domain), the means to conduct cyber operations, the platform where it is conducted (for example all digital devices, Internet only, electromagnetic spectrum) and the operations through which it is conducted (for example, if cyber espionage is included or not).Therefore, the coherent and comprehensive definition is of vital importance for the understanding of the research and more so for its outcomes. The terminology of this research applies for the state in the cyber domain, cyber operations and cyber strategy. Thus, the three key definitions which are developed in this research can be found below.The state and its representation in the cyber domain is defined in chapter I: The state’s representation of the cyber domain is the Critical National Information Infrastructure (CNII). The CNII is composed of a particular part of the information infrastructure which is vital to the function of the state according to the state-teachings of Jellinek: territory, people and legitimate use of violence.The definition of cyber operations as developed in chapter II: A cyber operation is the targeted use and hack of digital code by any individual, group, organization or state using digital networks, systems and connected devices, which is directed against CNII in order to steal, alter, destroy information or disrupt and deny functionality with the ultimate aim to weaken and/ or harm a targeted political unit.Subsequently, the definition of a cyber strategy in chapter IV: The development and employment of cyber operations, potentially integrated and coordinated with other operational domains and forms of information operations, to achieve or support the achievement of political objectives