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

Novel Processing and Transmission Techniques Leveraging Edge Computing for Smart Health Systems

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Optimal Resource Allocation Using Deep Learning-Based Adaptive Compression For Mhealth Applications

In the last few years the number of patients with chronic diseases that require constant monitoring increases rapidly; which motivates the researchers to develop scalable remote health applications. Nevertheless, transmitting big real-time data through a dynamic network limited by the bandwidth, end-to-end delay and transmission energy; will be an obstacle against having an efficient transmission of the data. The problem can be resolved by applying data reduction techniques on the vital signs at the transmitter side and reconstructing the data at the receiver side (i.e. the m-Health center). However, a new problem will be introduced which is the ability to receive the vital signs at the server side with an acceptable distortion rate (i.e. deformation of vital signs because of inefficient data reduction). In this thesis, we integrate efficient data reduction with wireless networking to deliver an adaptive compression with an acceptable distortion, while reacting to the wireless network dynamics such as channel fading and user mobility. A Deep Learning (DL) approach was used to implement an adaptive compression technique to compress and reconstruct the vital signs in general and specifically the Electroencephalogram Signal (EEG) with the minimum distortion. Then, a resource allocation framework was introduced to minimize the transmission energy along with the distortion of the reconstructed signa

User-centric Networks Selection with Adaptive Data Compression for Smart Health

The increasing demand for intelligent and sustainable healthcare services has prompted the development of smart health systems. Rapid advances in wireless access technologies and in-network data reduction techniques can significantly assist in implementing such smart systems through providing seamless integration of heterogeneous wireless networks, medical devices, and ubiquitous access to data. Utilization of the spectrum across diverse radio technologies is expected to significantly enhance network capacity and quality of service (QoS) for emerging applications such as remote monitoring over mobile-health (m-health) systems. However, this imposes an essential need to develop innovative networks selection mechanisms that account for energy efficiency while meeting application quality requirements. In this context, this paper proposes an efficient networks selection mechanism with adaptive compression for improving medical data delivery over heterogeneous m-health systems. We consider different performance aspects, as well as networks characteristics and application requirements, so as to obtain an efficient solution that grasps the conflicting nature of the various users’ objectives and addresses their inherent tradeoffs. The proposed methodology advocates a user-centric approach towards leveraging heterogeneous wireless networks to enhance the performance of m-health systems. Simulation results show that our solution significantly outperforms state-of-the-art techniques

Fog computing security: a review of current applications and security solutions

Fog computing is a new paradigm that extends the Cloud platform model by providing computing resources on the edges of a network. It can be described as a cloud-like platform having similar data, computation, storage and application services, but is fundamentally different in that it is decentralized. In addition, Fog systems are capable of processing large amounts of data locally, operate on-premise, are fully portable, and can be installed on heterogeneous hardware. These features make the Fog platform highly suitable for time and location-sensitive applications. For example, Internet of Things (IoT) devices are required to quickly process a large amount of data. This wide range of functionality driven applications intensifies many security issues regarding data, virtualization, segregation, network, malware and monitoring. This paper surveys existing literature on Fog computing applications to identify common security gaps. Similar technologies like Edge computing, Cloudlets and Micro-data centres have also been included to provide a holistic review process. The majority of Fog applications are motivated by the desire for functionality and end-user requirements, while the security aspects are often ignored or considered as an afterthought. This paper also determines the impact of those security issues and possible solutions, providing future security-relevant directions to those responsible for designing, developing, and maintaining Fog systems

Networking Architecture and Key Technologies for Human Digital Twin in Personalized Healthcare: A Comprehensive Survey

Digital twin (DT), refers to a promising technique to digitally and accurately represent actual physical entities. One typical advantage of DT is that it can be used to not only virtually replicate a system's detailed operations but also analyze the current condition, predict future behaviour, and refine the control optimization. Although DT has been widely implemented in various fields, such as smart manufacturing and transportation, its conventional paradigm is limited to embody non-living entities, e.g., robots and vehicles. When adopted in human-centric systems, a novel concept, called human digital twin (HDT) has thus been proposed. Particularly, HDT allows in silico representation of individual human body with the ability to dynamically reflect molecular status, physiological status, emotional and psychological status, as well as lifestyle evolutions. These prompt the expected application of HDT in personalized healthcare (PH), which can facilitate remote monitoring, diagnosis, prescription, surgery and rehabilitation. However, despite the large potential, HDT faces substantial research challenges in different aspects, and becomes an increasingly popular topic recently. In this survey, with a specific focus on the networking architecture and key technologies for HDT in PH applications, we first discuss the differences between HDT and conventional DTs, followed by the universal framework and essential functions of HDT. We then analyze its design requirements and challenges in PH applications. After that, we provide an overview of the networking architecture of HDT, including data acquisition layer, data communication layer, computation layer, data management layer and data analysis and decision making layer. Besides reviewing the key technologies for implementing such networking architecture in detail, we conclude this survey by presenting future research directions of HDT