EC-CENTRIC: An Energy- and Context-Centric Perspective on IoT Systems and Protocol Design

The radio transceiver of an IoT device is often where most of the energy is consumed. For this reason, most research so far has focused on low power circuit and energy efficient physical layer designs, with the goal of reducing the average energy per information bit required for communication. While these efforts are valuable per se, their actual effectiveness can be partially neutralized by ill-designed network, processing and resource management solutions, which can become a primary factor of performance degradation, in terms of throughput, responsiveness and energy efficiency. The objective of this paper is to describe an energy-centric and context-aware optimization framework that accounts for the energy impact of the fundamental functionalities of an IoT system and that proceeds along three main technical thrusts: 1) balancing signal-dependent processing techniques (compression and feature extraction) and communication tasks; 2) jointly designing channel access and routing protocols to maximize the network lifetime; 3) providing self-adaptability to different operating conditions through the adoption of suitable learning architectures and of flexible/reconfigurable algorithms and protocols. After discussing this framework, we present some preliminary results that validate the effectiveness of our proposed line of action, and show how the use of adaptive signal processing and channel access techniques allows an IoT network to dynamically tune lifetime for signal distortion, according to the requirements dictated by the application

Resource Management for Edge Computing in Internet of Things (IoT)

Die große Anzahl an Geräten im Internet der Dinge (IoT) und deren kontinuierliche Datensammlungen führen zu einem rapiden Wachstum der gesammelten Datenmenge. Die Daten komplett mittels zentraler Cloud Server zu verarbeiten ist ineffizient und zum Teil sogar unmöglich oder unnötig. Darum wird die Datenverarbeitung an den Rand des Netzwerks verschoben, was zu den Konzepten des Edge Computings geführt hat. Informationsverarbeitung nahe an der Datenquelle (z.B. auf Gateways und Edge Geräten) reduziert nicht nur die hohe Arbeitslast zentraler Server und Netzwerke, sondern verringer auch die Latenz für Echtzeitanwendungen, da die potentiell unzuverlässige Kommunikation zu Cloud Servern mit ihrer unvorhersehbaren Netzwerklatenz vermieden wird. Aktuelle IoT Architekturen verwenden Gateways, um anwendungsspezifische Verbindungen zu IoT Geräten herzustellen. In typischen Konfigurationen teilen sich mehrere IoT Edge Geräte ein IoT Gateway. Wegen der begrenzten verfügbaren Bandbreite und Rechenkapazität eines IoT Gateways muss die Servicequalität (SQ) der verbundenen IoT Edge Geräte über die Zeit angepasst werden. Nicht nur um die Anforderungen der einzelnen Nutzer der IoT Geräte zu erfüllen, sondern auch um die SQBedürfnisse der anderen IoT Edge Geräte desselben Gateways zu tolerieren. Diese Arbeit untersucht zuerst essentielle Technologien für IoT und existierende Trends. Dabei werden charakteristische Eigenschaften von IoT für die Embedded Domäne, sowie eine umfassende IoT Perspektive für Eingebettete Systeme vorgestellt. Mehrere Anwendungen aus dem Gesundheitsbereich werden untersucht und implementiert, um ein Model für deren Datenverarbeitungssoftware abzuleiten. Dieses Anwendungsmodell hilft bei der Identifikation verschiedener Betriebsmodi. IoT Systeme erwarten von den Edge Geräten, dass sie mehrere Betriebsmodi unterstützen, um sich während des Betriebs an wechselnde Szenarien anpassen zu können. Z.B. Energiesparmodi bei geringen Batteriereserven trotz gleichzeitiger Aufrechterhaltung der kritischen Funktionalität oder einen Modus, um die Servicequalität auf Wunsch des Nutzers zu erhöhen etc. Diese Modi verwenden entweder verschiedene Auslagerungsschemata (z.B. die übertragung von Rohdaten, von partiell bearbeiteten Daten, oder nur des finalen Ergebnisses) oder verschiedene Servicequalitäten. Betriebsmodi unterscheiden sich in ihren Ressourcenanforderungen sowohl auf dem Gerät (z.B. Energieverbrauch), wie auch auf dem Gateway (z.B. Kommunikationsbandbreite, Rechenleistung, Speicher etc.). Die Auswahl des besten Betriebsmodus für Edge Geräte ist eine Herausforderung in Anbetracht der begrenzten Ressourcen am Rand des Netzwerks (z.B. Bandbreite und Rechenleistung des gemeinsamen Gateways), diverser Randbedingungen der IoT Edge Geräte (z.B. Batterielaufzeit, Servicequalität etc.) und der Laufzeitvariabilität am Rand der IoT Infrastruktur. In dieser Arbeit werden schnelle und effiziente Auswahltechniken für Betriebsmodi entwickelt und präsentiert. Wenn sich IoT Geräte in der Reichweite mehrerer Gateways befinden, ist die Verwaltung der gemeinsamen Ressourcen und die Auswahl der Betriebsmodi für die IoT Geräte sogar noch komplexer. In dieser Arbeit wird ein verteilter handelsorientierter Geräteverwaltungsmechanismus für IoT Systeme mit mehreren Gateways präsentiert. Dieser Mechanismus zielt auf das kombinierte Problem des Bindens (d.h. ein Gateway für jedes IoT Gerät bestimmen) und der Allokation (d.h. die zugewiesenen Ressourcen für jedes Gerät bestimmen) ab. Beginnend mit einer initialen Konfiguration verhandeln und kommunizieren die Gateways miteinander und migrieren IoT Geräte zwischen den Gateways, wenn es den Nutzen für das Gesamtsystem erhöht. In dieser Arbeit werden auch anwendungsspezifische Optimierungen für IoT Geräte vorgestellt. Drei Anwendungen für den Gesundheitsbereich wurden realisiert und für tragbare IoT Geräte untersucht. Es wird auch eine neuartige Kompressionsmethode vorgestellt, die speziell für IoT Anwendungen geeignet ist, die Bio-Signale für Gesundheitsüberwachungen verarbeiten. Diese Technik reduziert die zu übertragende Datenmenge des IoT Gerätes, wodurch die Ressourcenauslastung auf dem Gerät und dem gemeinsamen Gateway reduziert wird. Um die vorgeschlagenen Techniken und Mechanismen zu evaluieren, wurden einige Anwendungen auf IoT Plattformen untersucht, um ihre Parameter, wie die Ausführungszeit und Ressourcennutzung, zu bestimmen. Diese Parameter wurden dann in einem Rahmenwerk verwendet, welches das IoT Netzwerk modelliert, die Interaktion zwischen Geräten und Gateway erfasst und den Kommunikationsoverhead sowie die erreichte Batterielebenszeit und Servicequalität der Geräte misst. Die Algorithmen zur Auswahl der Betriebsmodi wurden zusätzlich auf IoT Plattformen implementiert, um ihre Overheads bzgl. Ausführungszeit und Speicherverbrauch zu messen

Long-Range Communications in Unlicensed Bands: the Rising Stars in the IoT and Smart City Scenarios

Connectivity is probably the most basic building block of the Internet of Things (IoT) paradigm. Up to know, the two main approaches to provide data access to the \emph{things} have been based either on multi-hop mesh networks using short-range communication technologies in the unlicensed spectrum, or on long-range, legacy cellular technologies, mainly 2G/GSM, operating in the corresponding licensed frequency bands. Recently, these reference models have been challenged by a new type of wireless connectivity, characterized by low-rate, long-range transmission technologies in the unlicensed sub-GHz frequency bands, used to realize access networks with star topology which are referred to a \emph{Low-Power Wide Area Networks} (LPWANs). In this paper, we introduce this new approach to provide connectivity in the IoT scenario, discussing its advantages over the established paradigms in terms of efficiency, effectiveness, and architectural design, in particular for the typical Smart Cities applications

A Hybrid Approach for Data Analytics for Internet of Things

The vision of the Internet of Things is to allow currently unconnected physical objects to be connected to the internet. There will be an extremely large number of internet connected devices that will be much more than the number of human being in the world all producing data. These data will be collected and delivered to the cloud for processing, especially with a view of finding meaningful information to then take action. However, ideally the data needs to be analysed locally to increase privacy, give quick responses to people and to reduce use of network and storage resources. To tackle these problems, distributed data analytics can be proposed to collect and analyse the data either in the edge or fog devices. In this paper, we explore a hybrid approach which means that both innetwork level and cloud level processing should work together to build effective IoT data analytics in order to overcome their respective weaknesses and use their specific strengths. Specifically, we collected raw data locally and extracted features by applying data fusion techniques on the data on resource constrained devices to reduce the data and then send the extracted features to the cloud for processing. We evaluated the accuracy and data consumption over network and thus show that it is feasible to increase privacy and maintain accuracy while reducing data communication demands.Comment: Accepted to be published in the Proceedings of the 7th ACM International Conference on the Internet of Things (IoT 2017

Survey on wireless technology trade-offs for the industrial internet of things

Aside from vast deployment cost reduction, Industrial Wireless Sensor and Actuator Networks (IWSAN) introduce a new level of industrial connectivity. Wireless connection of sensors and actuators in industrial environments not only enables wireless monitoring and actuation, it also enables coordination of production stages, connecting mobile robots and autonomous transport vehicles, as well as localization and tracking of assets. All these opportunities already inspired the development of many wireless technologies in an effort to fully enable Industry 4.0. However, different technologies significantly differ in performance and capabilities, none being capable of supporting all industrial use cases. When designing a network solution, one must be aware of the capabilities and the trade-offs that prospective technologies have. This paper evaluates the technologies potentially suitable for IWSAN solutions covering an entire industrial site with limited infrastructure cost and discusses their trade-offs in an effort to provide information for choosing the most suitable technology for the use case of interest. The comparative discussion presented in this paper aims to enable engineers to choose the most suitable wireless technology for their specific IWSAN deployment

Internet of robotic things : converging sensing/actuating, hypoconnectivity, artificial intelligence and IoT Platforms

The Internet of Things (IoT) concept is evolving rapidly and influencing newdevelopments in various application domains, such as the Internet of MobileThings (IoMT), Autonomous Internet of Things (A-IoT), Autonomous Systemof Things (ASoT), Internet of Autonomous Things (IoAT), Internetof Things Clouds (IoT-C) and the Internet of Robotic Things (IoRT) etc.that are progressing/advancing by using IoT technology. The IoT influencerepresents new development and deployment challenges in different areassuch as seamless platform integration, context based cognitive network integration,new mobile sensor/actuator network paradigms, things identification(addressing, naming in IoT) and dynamic things discoverability and manyothers. The IoRT represents new convergence challenges and their need to be addressed, in one side the programmability and the communication ofmultiple heterogeneous mobile/autonomous/robotic things for cooperating,their coordination, configuration, exchange of information, security, safetyand protection. Developments in IoT heterogeneous parallel processing/communication and dynamic systems based on parallelism and concurrencyrequire new ideas for integrating the intelligent “devices”, collaborativerobots (COBOTS), into IoT applications. Dynamic maintainability, selfhealing,self-repair of resources, changing resource state, (re-) configurationand context based IoT systems for service implementation and integrationwith IoT network service composition are of paramount importance whennew “cognitive devices” are becoming active participants in IoT applications.This chapter aims to be an overview of the IoRT concept, technologies,architectures and applications and to provide a comprehensive coverage offuture challenges, developments and applications