Quality of Information in Mobile Crowdsensing: Survey and Research Challenges

Smartphones have become the most pervasive devices in people's lives, and are clearly transforming the way we live and perceive technology. Today's smartphones benefit from almost ubiquitous Internet connectivity and come equipped with a plethora of inexpensive yet powerful embedded sensors, such as accelerometer, gyroscope, microphone, and camera. This unique combination has enabled revolutionary applications based on the mobile crowdsensing paradigm, such as real-time road traffic monitoring, air and noise pollution, crime control, and wildlife monitoring, just to name a few. Differently from prior sensing paradigms, humans are now the primary actors of the sensing process, since they become fundamental in retrieving reliable and up-to-date information about the event being monitored. As humans may behave unreliably or maliciously, assessing and guaranteeing Quality of Information (QoI) becomes more important than ever. In this paper, we provide a new framework for defining and enforcing the QoI in mobile crowdsensing, and analyze in depth the current state-of-the-art on the topic. We also outline novel research challenges, along with possible directions of future work.Comment: To appear in ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN

Crowdsensing-driven route optimisation algorithms for smart urban mobility

Urban rörlighet anses ofta vara en av de främsta möjliggörarna för en hållbar statsutveckling. Idag skulle det dock kräva ett betydande skifte mot renare och effektivare stadstransporter vilket skulle stödja ökad social och ekonomisk koncentration av resurser i städerna. En viktig prioritet för städer runt om i världen är att stödja medborgarnas rörlighet inom stadsmiljöer medan samtidigt minska trafikstockningar, olyckor och föroreningar. Att utveckla en effektivare och grönare (eller med ett ord; smartare) stadsrörlighet är en av de svåraste problemen att bemöta för stora metropoler. I denna avhandling närmar vi oss problemet från det snabba utvecklingsperspektivet av ITlandskapet i städer vilket möjliggör byggandet av rörlighetslösningar utan stora stora investeringar eller sofistikerad sensortenkik. I synnerhet föreslår vi utnyttjandet av den mobila rörlighetsavkännings, eng. Mobile Crowdsensing (MCS), paradigmen i vilken befolkningen exploaterar sin mobilkommunikation och/eller mobilasensorer med syftet att frivilligt samla, distribuera, lokalt processera och analysera geospecifik information. Rörlighetavkänningssdata (t.ex. händelser, trafikintensitet, buller och luftföroreningar etc.) inhämtad från frivilliga i befolkningen kan ge värdefull information om aktuella rörelsesförhållanden i stad vilka, med adekvata databehandlingsalgoriter, kan användas för att planera människors rörelseflöden inom stadsmiljön. Såtillvida kombineras i denna avhandling två mycket lovande smarta rörlighetsmöjliggörare, eng. Smart Mobility Enablers, nämligen MCS och rese/ruttplanering. Vi kan därmed till viss utsträckning sammanföra forskningsutmaningar från dessa två delar. Vi väljer att separera våra forskningsmål i två delar, dvs forskningssteg: (1) arkitektoniska utmaningar vid design av MCS-system och (2) algoritmiska utmaningar för tillämpningar av MCS-driven ruttplanering. Vi ämnar att visa en logisk forskningsprogression över tiden, med avstamp i mänskligt dirigerade rörelseavkänningssystem som MCS och ett avslut i automatiserade ruttoptimeringsalgoritmer skräddarsydda för specifika MCS-applikationer. Även om vi förlitar oss på heuristiska lösningar och algoritmer för NP-svåra ruttproblem förlitar vi oss på äkta applikationer med syftet att visa på fördelarna med algoritm- och infrastrukturförslagen.La movilidad urbana es considerada una de las principales desencadenantes de un desarrollo urbano sostenible. Sin embargo, hoy en día se requiere una transición hacia un transporte urbano más limpio y más eficiente que soporte una concentración de recursos sociales y económicos cada vez mayor en las ciudades. Una de las principales prioridades para las ciudades de todo el mundo es facilitar la movilidad de los ciudadanos dentro de los entornos urbanos, al mismo tiempo que se reduce la congestión, los accidentes y la contaminación. Sin embargo, desarrollar una movilidad urbana más eficiente y más verde (o en una palabra, más inteligente) es uno de los temas más difíciles de afrontar para las grandes áreas metropolitanas. En esta tesis, abordamos este problema desde la perspectiva de un panorama TIC en rápida evolución que nos permite construir movilidad sin la necesidad de grandes inversiones ni sofisticadas tecnologías de sensores. En particular, proponemos aprovechar el paradigma Mobile Crowdsensing (MCS) en el que los ciudadanos utilizan sus teléfonos móviles y dispositivos, para nosotros recopilar, procesar y analizar localmente información georreferenciada, distribuida voluntariamente. Los datos de movilidad recopilados de ciudadanos que voluntariamente quieren compartirlos (por ejemplo, eventos, intensidad del tráfico, ruido y contaminación del aire, etc.) pueden proporcionar información valiosa sobre las condiciones de movilidad actuales en la ciudad, que con el algoritmo de procesamiento de datos adecuado, pueden utilizarse para enrutar y gestionar el flujo de gente en entornos urbanos. Por lo tanto, en esta tesis combinamos dos prometedoras fuentes de movilidad inteligente: MCS y la planificación de viajes/rutas, uniendo en cierta medida los distintos desafíos de investigación. Hemos dividido nuestros objetivos de investigación en dos etapas: (1) Desafíos arquitectónicos en el diseño de sistemas MCS y (2) Desafíos algorítmicos en la planificación de rutas aprovechando la información del MCS. Nuestro objetivo es demostrar una progresión lógica de la investigación a lo largo del tiempo, comenzando desde los fundamentos de los sistemas de detección centrados en personas, como el MCS, hasta los algoritmos de optimización de rutas diseñados específicamente para la aplicación de estos. Si bien nos centramos en algoritmos y heurísticas para resolver problemas de enrutamiento de clase NP-hard, utilizamos ejemplos de aplicaciones en el mundo real para mostrar las ventajas de los algoritmos e infraestructuras propuestas

Mobile crowdsensing for road sustainability: exploitability of publicly-sourced data

ABSTRACTThis paper examines the opportunities and the economic benefits of exploiting publicly-sourced datasets of road surface quality. Crowdsourcing and crowdsensing initiatives channel the parti..

Proximity as a Service via Cellular Network-Assisted Mobile Device-to-Device

PhD ThesisThe research progress of communication has brought a lot of novel technologies to meet the multi-dimensional demands such as pervasive connection, low delay and high bandwidth. Device-to-Device (D2D) communication is a way to no longer treat the User Equipment (UEs) as a terminal, but rather as a part of the network for service provisioning. This thesis decouples UEs into service providers (helpers) and service requesters. By collaboration among proximal devices, with the coordination of cellular networks, some local tasks can be achieved, such as coverage extension, computation o oading, mobile crowdsourcing and mobile crowdsensing. This thesis proposes a generic framework Proximity as a Service (PaaS) for increasing the coverage with demands of service continuity. As one of the use cases, the optimal helper selection algorithm of PaaS for increasing the service coverage with demands of service continuity is called ContAct based Proximity (CAP). Mainly, fruitful contact information (e.g., contact duration, frequency, and interval) is captured, and is used to handle ubiquitous proximal services through the optimal selection of helpers. The nature of PaaS is evaluated under the Helsinki city scenario, with movement model of Points Of Interest (POI) and with critical factors in uencing the service demands (e.g., success ratio, disruption duration and frequency). Simulation results show the advantage of CAP, in both success ratio and continuity of the service (outputs). Based on this perspective, metrics such as service success ratio and continuity as a service evaluation of the PaaS are evaluated using the statistical theory of the Design Of Experiments (DOE). DOE is used as there are many dimensions to the state space (access tolerance, selected helper number, helper access limit, and transmit range) that can in uence the results. A key contribution of this work is that it brings rigorous statistical experiment design methods into the research into mobile computing. Results further reveal the influence of four factors (inputs), e.g., service tolerance, number of helpers allocated, the number of concurrent devices supported by each helper and transmit range. Based on this perspective, metrics such as service success ratio and continuity are evaluated using DOE. The results show that transmit range is the most dominant factor. The number of selected helpers is the second most dominant factor. Since di erent factors have di erent regression levels, a uni ed 4 level full factorial experiment and a cubic multiple regression analysis have been carried out. All the interactions and the corresponding coe cients have been found. This work is the rst one to evaluate LTE-Direct and WiFi-Direct in an opportunistic proximity service. The contribution of the results for industry is to guide how many users need to cooperate to enable mobile computing and for academia. This reveals the facts that: 1, in some cases, the improvement of spectrum e ciency brought by D2D is not important; 2, nodal density and the resources used in D2D air-interfaces are important in the eld of mobile computing. This work built a methodology to study the D2D networks with a di erent perspective (PaaS)

Challenges in Complex Systems Science

FuturICT foundations are social science, complex systems science, and ICT. The main concerns and challenges in the science of complex systems in the context of FuturICT are laid out in this paper with special emphasis on the Complex Systems route to Social Sciences. This include complex systems having: many heterogeneous interacting parts; multiple scales; complicated transition laws; unexpected or unpredicted emergence; sensitive dependence on initial conditions; path-dependent dynamics; networked hierarchical connectivities; interaction of autonomous agents; self-organisation; non-equilibrium dynamics; combinatorial explosion; adaptivity to changing environments; co-evolving subsystems; ill-defined boundaries; and multilevel dynamics. In this context, science is seen as the process of abstracting the dynamics of systems from data. This presents many challenges including: data gathering by large-scale experiment, participatory sensing and social computation, managing huge distributed dynamic and heterogeneous databases; moving from data to dynamical models, going beyond correlations to cause-effect relationships, understanding the relationship between simple and comprehensive models with appropriate choices of variables, ensemble modeling and data assimilation, modeling systems of systems of systems with many levels between micro and macro; and formulating new approaches to prediction, forecasting, and risk, especially in systems that can reflect on and change their behaviour in response to predictions, and systems whose apparently predictable behaviour is disrupted by apparently unpredictable rare or extreme events. These challenges are part of the FuturICT agenda

Distributed, Low-Cost, Non-Expert Fine Dust Sensing with Smartphones

Diese Dissertation behandelt die Frage, wie mit kostengünstiger Sensorik Feinstäube in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gemessen werden können. Dazu wird ein neues Sensorsystem auf Basis kostengünstiger off-the-shelf-Sensoren und Smartphones vorgestellt, entsprechende robuste Algorithmen zur Signalverarbeitung entwickelt und Erkenntnisse zur Interaktions-Gestaltung für die Messung durch Laien präsentiert. Atmosphärische Aerosolpartikel stellen im globalen Maßstab ein gravierendes Problem für die menschliche Gesundheit dar, welches sich in Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen äußert und eine Verkürzung der Lebenserwartung verursacht. Bisher wird Luftqualität ausschließlich anhand von Daten relativ weniger fester Messstellen beurteilt und mittels Modellen auf eine hohe räumliche Auflösung gebracht, so dass deren Repräsentativität für die flächendeckende Exposition der Bevölkerung ungeklärt bleibt. Es ist unmöglich, derartige räumliche Abbildungen mit den derzeitigen statischen Messnetzen zu bestimmen. Bei der gesundheitsbezogenen Bewertung von Schadstoffen geht der Trend daher stark zu räumlich differenzierenden Messungen. Ein vielversprechender Ansatz um eine hohe räumliche und zeitliche Abdeckung zu erreichen ist dabei Participatory Sensing, also die verteilte Messung durch Endanwender unter Zuhilfenahme ihrer persönlichen Endgeräte. Insbesondere für Luftqualitätsmessungen ergeben sich dabei eine Reihe von Herausforderungen - von neuer Sensorik, die kostengünstig und tragbar ist, über robuste Algorithmen zur Signalauswertung und Kalibrierung bis hin zu Anwendungen, die Laien bei der korrekten Ausführung von Messungen unterstützen und ihre Privatsphäre schützen. Diese Arbeit konzentriert sich auf das Anwendungsszenario Partizipatorischer Umweltmessungen, bei denen Smartphone-basierte Sensorik zum Messen der Umwelt eingesetzt wird und üblicherweise Laien die Messungen in relativ unkontrollierter Art und Weise ausführen. Die Hauptbeiträge hierzu sind: 1. Systeme zum Erfassen von Feinstaub mit Smartphones (Low-cost Sensorik und neue Hardware): Ausgehend von früher Forschung zur Feinstaubmessung mit kostengünstiger off-the-shelf-Sensorik wurde ein Sensorkonzept entwickelt, bei dem die Feinstaub-Messung mit Hilfe eines passiven Aufsatzes auf einer Smartphone-Kamera durchgeführt wird. Zur Beurteilung der Sensorperformance wurden teilweise Labor-Messungen mit künstlich erzeugtem Staub und teilweise Feldevaluationen in Ko-Lokation mit offiziellen Messstationen des Landes durchgeführt. 2. Algorithmen zur Signalverarbeitung und Auswertung: Im Zuge neuer Sensordesigns werden Kombinationen bekannter OpenCV-Bildverarbeitungsalgorithmen (Background-Subtraction, Contour Detection etc.) zur Bildanalyse eingesetzt. Der resultierende Algorithmus erlaubt im Gegensatz zur Auswertung von Lichtstreuungs-Summensignalen die direkte Zählung von Partikeln anhand individueller Lichtspuren. Ein zweiter neuartiger Algorithmus nutzt aus, dass es bei solchen Prozessen ein signalabhängiges Rauschen gibt, dessen Verhältnis zum Mittelwert des Signals bekannt ist. Dadurch wird es möglich, Signale die von systematischen unbekannten Fehlern betroffen sind auf Basis ihres Rauschens zu analysieren und das "echte" Signal zu rekonstruieren. 3. Algorithmen zur verteilten Kalibrierung bei gleichzeitigem Schutz der Privatsphäre: Eine Herausforderung partizipatorischer Umweltmessungen ist die wiederkehrende Notwendigkeit der Sensorkalibrierung. Dies beruht zum einen auf der Instabilität insbesondere kostengünstiger Luftqualitätssensorik und zum anderen auf der Problematik, dass Endbenutzern die Mittel für eine Kalibrierung üblicherweise fehlen. Bestehende Ansätze zur sogenannten Cross-Kalibrierung von Sensoren, die sich in Ko-Lokation mit einer Referenzstation oder anderen Sensoren befinden, wurden auf Daten günstiger Feinstaubsensorik angewendet sowie um Mechanismen erweitert, die eine Kalibrierung von Sensoren untereinander ohne Preisgabe privater Informationen (Identität, Ort) ermöglicht. 4. Mensch-Maschine-Interaktions-Gestaltungsrichtlinien für Participatory Sensing: Auf Basis mehrerer kleiner explorativer Nutzerstudien wurde empirisch eine Taxonomie der Fehler erstellt, die Laien beim Messen von Umweltinformationen mit Smartphones machen. Davon ausgehend wurden mögliche Gegenmaßnahmen gesammelt und klassifiziert. In einer großen summativen Studie mit einer hohen Teilnehmerzahl wurde der Effekt verschiedener dieser Maßnahmen durch den Vergleich vier unterschiedlicher Varianten einer App zur partizipatorischen Messung von Umgebungslautstärke evaluiert. Die dabei gefundenen Erkenntnisse bilden die Basis für Richtlinien zur Gestaltung effizienter Nutzerschnittstellen für Participatory Sensing auf Mobilgeräten. 5. Design Patterns für Participatory Sensing Games auf Mobilgeräten (Gamification): Ein weiterer erforschter Ansatz beschäftigt sich mit der Gamifizierung des Messprozesses um Nutzerfehler durch den Einsatz geeigneter Spielmechanismen zu minimieren. Dabei wird der Messprozess z.B. in ein Smartphone-Spiel (sog. Minigame) eingebettet, das im Hintergrund bei geeignetem Kontext die Messung durchführt. Zur Entwicklung dieses "Sensified Gaming" getauften Konzepts wurden Kernaufgaben im Participatory Sensing identifiziert und mit aus der Literatur zu sammelnden Spielmechanismen (Game Design Patterns) gegenübergestellt

Location reliability and gamification mechanisms for mobile crowd sensing

People-centric sensing with smart phones can be used for large scale sensing of the physical world by leveraging the sensors on the phones. This new type of sensing can be a scalable and cost-effective alternative to deploying static wireless sensor networks for dense sensing coverage across large areas. However, mobile people-centric sensing has two main issues: 1) Data reliability in sensed data and 2) Incentives for participants. To study these issues, this dissertation designs and develops McSense, a mobile crowd sensing system which provides monetary and social incentives to users. This dissertation proposes and evaluates two protocols for location reliability as a step toward achieving data reliability in sensed data, namely, ILR (Improving Location Reliability) and LINK (Location authentication through Immediate Neighbors Knowledge). ILR is a scheme which improves the location reliability of mobile crowd sensed data with minimal human efforts based on location validation using photo tasks and expanding the trust to nearby data points using periodic Bluetooth scanning. LINK is a location authentication protocol working independent of wireless carriers, in which nearby users help authenticate each other’s location claims using Bluetooth communication. The results of experiments done on Android phones show that the proposed protocols are capable of detecting a significant percentage of the malicious users claiming false location. Furthermore, simulations with the LINK protocol demonstrate that LINK can effectively thwart a number of colluding user attacks. This dissertation also proposes a mobile sensing game which helps collect crowd sensing data by incentivizing smart phone users to play sensing games on their phones. We design and implement a first person shooter sensing game, “Alien vs. Mobile User”, which employs techniques to attract users to unpopular regions. The user study results show that mobile gaming can be a successful alternative to micro-payments for fast and efficient area coverage in crowd sensing. It is observed that the proposed game design succeeds in achieving good player engagement

Trust Evaluation Mechanism for User Recruitment in Mobile Crowd-Sensing in the Internet of Things

Mobile Crowd-Sensing (MCS) has appeared as a prospective solution for large-scale data collection, leveraging built-in sensors and social applications in mobile devices that enables a variety of Internet of Things (IoT) services. However, the human involvement in MCS results in a high possibility for unintentionally contributing corrupted and falsified data or intentionally spreading disinformation for malevolent purposes, consequently undermining IoT services. Therefore, recruiting trustworthy contributors plays a crucial role in collecting high quality data and providing better quality of services while minimizing the vulnerabilities and risks to MCS systems. In this article, a novel trust model called Experience-Reputation (E-R) is proposed for evaluating trust relationships between any two mobile device users in a MCS platform. To enable the E-R model, virtual interactions among the users are manipulated by considering an assessment of the quality of contributed data from such users. Based on these interactions, two indicators of trust called Experience and Reputation are calculated accordingly. By incorporating the Experience and Reputation trust indicators (TIs), trust relationships between the users are established, evaluated and maintained. Based on these trust relationships, a novel trust-based recruitment scheme is carried out for selecting the most trustworthy MCS users to contribute to data sensing tasks. In order to evaluate the performance and effectiveness of the proposed trust-based mechanism as well as the E-R trust model, we deploy several recruitment schemes in a MCS testbed which consists of both normal and malicious users. The results highlight the strength of the trust-based scheme as it delivers better quality for MCS services while being able to detect malicious users. We believe that the trust-based user recruitment offers an effective capability for selecting trustworthy users for various MCS systems and, importantly, the proposed mechanism is practical to deploy in the real world