Industrial Wireless Sensor Networks

Wireless sensor networks are penetrating our daily lives, and they are starting to be deployed even in an industrial environment. The research on such industrial wireless sensor networks (IWSNs) considers more stringent requirements of robustness, reliability, and timeliness in each network layer. This Special Issue presents the recent research result on industrial wireless sensor networks. Each paper in this Special Issue has unique contributions in the advancements of industrial wireless sensor network research and we expect each paper to promote the relevant research and the deployment of IWSNs

A Real-Time Communication Framework for Wireless Sensor Networks

Recent advances in miniaturization and low power design have led to a flurry of activity in wireless sensor networks. Sensor networks have different constraints than traditional wired networks. A wireless sensor network is a special network with large numbers of nodes equipped with embedded processors, sensors, and radios. These nodes collaborate to accomplish a common task such as environment monitoring or asset tracking. In many applications, sensor nodes will be deployed in an ad-hoc fashion without careful planning. They must organize themselves to form a multihop, wireless communication network. In sensor network environments, much research has been conducted in areas such as power consumption, self-organisation techniques, routing between the sensors, and the communication between the sensor and the sink. On the other hand, real-time communication with the Quality of Service (QoS) concept in wireless sensor networks is still an open research field. Most protocols either ignore real time or simply attempt to process as fast as possible and hope that this speed is sufficient to meet the deadline. However, the introduction of real-time communication has created additional challenges in this area. The sensor node spends most of its life routing packets from one node to another until the packet reaches the sink; therefore, the node functions as a small router most of the time. Since sensor networks deal with time-critical applications, it is often necessary for communication to meet real time constraints. However, research that deals with providing QoS guarantees for real-time traffic in sensor networks is still in its infancy.This thesis presents a real-time communication framework to provide quality of service in sensor networks environments. The proposed framework consists of four components: First, present an analytical model for implementing Priority Queuing (PQ) in a sensor node to calculate the queuing delay. The exact packet delay for corresponding classes is calculated. Further, the analytical results are validated through an extensive simulation study. Second, report on a novel analytical model based on a limited service polling discipline. The model is based on an M/D/1 queuing system (a special class of M/G/1 queuing systems), which takes into account two different classes of traffic in a sensor node. The proposed model implements two queues in a sensor node that are served in a round robin fashion. The exact queuing delay in a sensor node for corresponding classes is calculated. Then, the analytical results are validated through an extensive simulation study. Third, exhibit a novel packet delivery mechanism, namely the Multiple Level Stateless Protocol (MLSP), as a real-time protocol for sensor networks to guarantee the traffic in wireless sensor networks. MLSP improves the packet loss rate and the handling of holes in sensor network much better than its counterpart, MMSPEED. It also introduces the k-limited polling model for the first time. In addition, the whole sending packets dropped significantly compared to MMSPEED, which it leads to decrease the consumption power. Fourth, explain a new framework for moving data from the sink to the user, at a low cost and low power, using the Universal Mobile Telecommunication System (UMTS), which is standard for the Third Generation Mobile System (3G). The integration of sensor networks with the 3G mobile network infrastructure will reduce the cost of building new infrastructures and enable the large-scale deployment of sensor network

Evaluating Architectural Safeguards for Uncertain AI Black-Box Components

Künstliche Intelligenz (KI) hat in den vergangenen Jahren große Erfolge erzielt und ist immer stärker in den Fokus geraten. Insbesondere Methoden des Deep Learning (ein Teilgebiet der KI), in dem Tiefe Neuronale Netze (TNN) zum Einsatz kommen, haben beeindruckende Ergebnisse erzielt, z.B. im autonomen Fahren oder der Mensch-Roboter-Interaktion. Die immense Datenabhängigkeit und Komplexität von TNN haben jedoch gravierende Schwachstellen offenbart. So reagieren TNN sensitiv auf bestimmte Einflussfaktoren der Umwelt (z.B. Helligkeits- oder Kontraständerungen in Bildern) und führen zu falschen Vorhersagen. Da KI (und insbesondere TNN) in sicherheitskritischen Systemen eingesetzt werden, kann solch ein Verhalten zu lebensbedrohlichen Situationen führen. Folglich haben sich neue Forschungspotenziale entwickelt, die sich explizit der Absicherung von KI-Verfahren widmen. Ein wesentliches Problem bei vielen KI-Verfahren besteht darin, dass ihr Verhalten oder Vorhersagen auf Grund ihrer hohen Komplexität nicht erklärt bzw. nachvollzogen werden können. Solche KI-Modelle werden auch als Black-Box bezeichnet. Bestehende Arbeiten adressieren dieses Problem, in dem zur Laufzeit “bösartige” Eingabedaten identifiziert oder auf Basis von Ein- und Ausgaben potenziell falsche Vorhersagen erkannt werden. Arbeiten in diesem Bereich erlauben es zwar potenziell unsichere Zustände zu erkennen, machen allerdings keine Aussagen, inwiefern mit solchen Situationen umzugehen ist. Somit haben sich eine Reihe von Ansätzen auf Architektur- bzw. Systemebene etabliert, um mit KI-induzierten Unsicherheiten umzugehen (z.B. N-Version-Programming-Muster oder Simplex Architekturen). Darüber hinaus wächst die Anforderung an KI-basierte Systeme sich zur Laufzeit anzupassen, um mit sich verändernden Bedingungen der Umwelt umgehen zu können. Systeme mit solchen Fähigkeiten sind bekannt als Selbst-Adaptive Systeme. Software-Ingenieure stehen nun vor der Herausforderung, aus einer Menge von Architekturellen Sicherheitsmechanismen, den Ansatz zu identifizieren, der die nicht-funktionalen Anforderungen bestmöglich erfüllt. Jeder Ansatz hat jedoch unterschiedliche Auswirkungen auf die Qualitätsattribute des Systems. Architekturelle Entwurfsentscheidungen gilt es so früh wie möglich (d.h. zur Entwurfszeit) aufzulösen, um nach der Implementierung des Systems Änderungen zu vermeiden, die mit hohen Kosten verbunden sind. Darüber hinaus müssen insbesondere sicherheitskritische Systeme den strengen (Qualitäts-) Anforderungen gerecht werden, die bereits auf Architektur-Ebene des Software-Systems adressiert werden müssen. Diese Arbeit befasst sich mit einem modellbasierten Ansatz, der Software-Ingenieure bei der Entwicklung von KI-basierten System unterstützt, um architekturelle Entwurfsentscheidungen (bzw. architekturellen Sicherheitsmechanismen) zum Umgang mit KI-induzierten Unsicherheiten zu bewerten. Insbesondere wird eine Methode zur Zuverlässigkeitsvorhersage von KI-basierten Systemen auf Basis von etablierten modellbasierten Techniken erforscht. In einem weiteren Schritt wird die Erweiterbarkeit/Verallgemeinerbarkeit der Zuverlässigkeitsvorhersage für Selbst-Adaptive Systeme betrachtet. Der Kern beider Ansätze ist ein Umweltmodell zur Modellierung () von KI-spezifischen Unsicherheiten und () der operativen Umwelt des Selbst-Adaptiven Systems. Zuletzt wird eine Klassifikationsstruktur bzw. Taxonomie vorgestellt, welche, auf Basis von verschiedenen Dimensionen, KI-basierte Systeme in unterschiedliche Klassen einteilt. Jede Klasse ist mit einem bestimmten Grad an Verlässlichkeitszusicherungen assoziiert, die für das gegebene System gemacht werden können. Die Dissertation umfasst vier zentrale Beiträge. 1. Domänenunabhängige Modellierung von KI-spezifischen Umwelten: In diesem Beitrag wurde ein Metamodell zur Modellierung von KI-spezifischen Unsicherheiten und ihrer zeitlichen Ausdehnung entwickelt, welche die operative Umgebung eines selbstadaptiven Systems bilden. 2. Zuverlässigkeitsvorhersage von KI-basierten Systemen: Der vorgestellte Ansatz erweitert eine existierende Architekturbeschreibungssprache (genauer: Palladio Component Model) zur Modellierung von Komponenten-basierten Software-Architekturen sowie einem dazugehörigenWerkzeug zur Zuverlässigkeitsvorhersage (für klassische Software-Systeme). Das Problem der Black-Box-Eigenschaft einer KI-Komponente wird durch ein Sensitivitätsmodell adressiert, das, in Abhängigkeit zu verschiedenen Unsicherheitsfaktoren, die Prädektive Unsicherheit einer KI-Komponente modelliert. 3. Evaluation von Selbst-Adaptiven Systemen: Dieser Beitrag befasst sich mit einem Rahmenwerk für die Evaluation von Selbst-Adaptiven Systemen, welche für die Absicherung von KI-Komponenten vorgesehen sind. Die Arbeiten zu diesem Beitrag verallgemeinern/erweitern die Konzepte von Beitrag 2 für Selbst-Adaptive Systeme. 4. Klassen der Verlässlichkeitszusicherungen: Der Beitrag beschreibt eine Klassifikationsstruktur, die den Grad der Zusicherung (in Bezug auf bestimmte Systemeigenschaften) eines KI-basierten Systems bewertet. Der zweite Beitrag wurde im Rahmen einer Fallstudie aus dem Bereich des Autonomen Fahrens validiert. Es wurde geprüft, ob Plausibilitätseigenschaften bei der Zuverlässigkeitsvorhersage erhalten bleiben. Hierbei konnte nicht nur die Plausibilität des Ansatzes nachgewiesen werden, sondern auch die generelle Möglichkeit Entwurfsentscheidungen zur Entwurfszeit zu bewerten. Für die Validierung des dritten Beitrags wurden ebenfalls Plausibilitätseigenschaften geprüft (im Rahmen der eben genannten Fallstudie und einer Fallstudie aus dem Bereich der Mensch-Roboter-Interaktion). Darüber hinaus wurden zwei weitere Community-Fallstudien betrachtet, bei denen (auf Basis von Simulatoren) Selbst-Adaptive Systeme bewertet und mit den Ergebnissen unseres Ansatzes verglichen wurden. In beiden Fällen konnte gezeigt werden, dass zum einen alle Plausibilitätseigenschaft erhalten werden und zum anderen, der Ansatz dieselben Ergebnisse erzeugt, wie die Domänen-spezifischen Simulatoren. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass unser Ansatz Software-Ingenieure bzgl. der Bewertung von Entwurfsentscheidungen, die für die Entwicklung von Selbst-Adaptiven Systemen relevant sind, unterstützt. Der erste Beitrag wurde implizit mit Beitrag 2 und mit 3 validiert. Für den vierten Beitrag wurde die Klassifikationsstruktur auf bekannte und repräsentative KI-Systeme angewandt und diskutiert. Es konnte jedes KI-System in eine der Klassen eingeordnet werden, so dass die generelle Anwendbarkeit der Klassifikationsstruktur gezeigt wurde

Interference in vehicle-to-vehicle communication networks - analysis, modeling, simulation and assessment

In wireless vehicular communication networks the periodic transmission of status updates by all vehicles represents a basic service primitive, in particular for safety related applications. Due to the limited communication resources the question raises how much data each node may provide such that the quality of service required by applications can still be guaranteed under realistic interference conditions. Local broadcasts capacity is introduced and analyzed to tackle this open question

Evaluating Architectural Safeguards for Uncertain AI Black-Box Components

Although tremendous progress has been made in Artificial Intelligence (AI), it entails new challenges. The growing complexity of learning tasks requires more complex AI components, which increasingly exhibit unreliable behaviour. In this book, we present a model-driven approach to model architectural safeguards for AI components and analyse their effect on the overall system reliability

Service level agreement specification for IoT application workflow activity deployment, configuration and monitoring

PhD ThesisCurrently, we see the use of the Internet of Things (IoT) within various domains such as healthcare, smart homes, smart cars, smart-x applications, and smart cities. The number of applications based on IoT and cloud computing is projected to increase rapidly over the next few years. IoT-based services must meet the guaranteed levels of quality of service (QoS) to match users’ expectations. Ensuring QoS through specifying the QoS constraints using service level agreements (SLAs) is crucial. Also because of the potentially highly complex nature of multi-layered IoT applications, lifecycle management (deployment, dynamic reconfiguration, and monitoring) needs to be automated. To achieve this it is essential to be able to specify SLAs in a machine-readable format. currently available SLA specification languages are unable to accommodate the unique characteristics (interdependency of its multi-layers) of the IoT domain. Therefore, in this research, we propose a grammar for a syntactical structure of an SLA specification for IoT. The grammar is based on a proposed conceptual model that considers the main concepts that can be used to express the requirements for most common hardware and software components of an IoT application on an end-to-end basis. We follow the Goal Question Metric (GQM) approach to evaluate the generality and expressiveness of the proposed grammar by reviewing its concepts and their predefined lists of vocabularies against two use-cases with a number of participants whose research interests are mainly related to IoT. The results of the analysis show that the proposed grammar achieved 91.70% of its generality goal and 93.43% of its expressiveness goal. To enhance the process of specifying SLA terms, We then developed a toolkit for creating SLA specifications for IoT applications. The toolkit is used to simplify the process of capturing the requirements of IoT applications. We demonstrate the effectiveness of the toolkit using a remote health monitoring service (RHMS) use-case as well as applying a user experience measure to evaluate the tool by applying a questionnaire-oriented approach. We discussed the applicability of our tool by including it as a core component of two different applications: 1) a contextaware recommender system for IoT configuration across layers; and 2) a tool for automatically translating an SLA from JSON to a smart contract, deploying it on different peer nodes that represent the contractual parties. The smart contract is able to monitor the created SLA using Blockchain technology. These two applications are utilized within our proposed SLA management framework for IoT. Furthermore, we propose a greedy heuristic algorithm to decentralize workflow activities of an IoT application across Edge and Cloud resources to enhance response time, cost, energy consumption and network usage. We evaluated the efficiency of our proposed approach using iFogSim simulator. The performance analysis shows that the proposed algorithm minimized cost, execution time, networking, and Cloud energy consumption compared to Cloud-only and edge-ward placement approaches

Modeling and managing energy consumption of mobile devices

Thanks to the significant improvement in the processing and networking capabilities of mobile devices, mobile devices today can run applications that require complex computation and high network bandwidth. As these applications become ever more popular, a rise is seen in the energy demand that is generated by a typical usage of mobile devices, with the result that existing battery technology is not able to satisfy the growing demand. Improving the energy efficiency of mobile devices and applications has, therefore, become essential. In this thesis, we investigate the energy consumption of mobile devices and propose practical solutions for improving the energy efficiency of wireless data transmission. We propose power models of wireless data transmission over Wi-Fi and show how the power consumption is related to power-saving mechanisms, to Internet traffic characteristics, and to the network throughput. We utilize the linear dependency of transmission costs on network throughput in order to extend the linear regression power models from microprocessor level to system level. These power models provide us with an insight into developing software with energy-efficient wireless data transmission. In this thesis, we present three strategies for reducing transmission cost: applying lossless data compression to network traffic data, scheduling the transmission based on the prediction of network conditions, and power management of the wireless network interface based on the predicted traffic intervals. Our strategies consider the trade-offs between computational and transmission costs, and between energy consumption and transmission performance. In addition, we apply statistical methods for implementing prediction utilities. Finally, considering the complexity in the context collection and processing, we propose an event-driven framework that can be used for implementing, deploying and managing various energy-efficient strategies on mobile platforms