Recent Advances in Internet of Things Solutions for Early Warning Systems: A Review

none5noNatural disasters cause enormous damage and losses every year, both economic and in terms of human lives. It is essential to develop systems to predict disasters and to generate and disseminate timely warnings. Recently, technologies such as the Internet of Things solutions have been integrated into alert systems to provide an effective method to gather environmental data and produce alerts. This work reviews the literature regarding Internet of Things solutions in the field of Early Warning for different natural disasters: floods, earthquakes, tsunamis, and landslides. The aim of the paper is to describe the adopted IoT architectures, define the constraints and the requirements of an Early Warning system, and systematically determine which are the most used solutions in the four use cases examined. This review also highlights the main gaps in literature and provides suggestions to satisfy the requirements for each use case based on the articles and solutions reviewed, particularly stressing the advantages of integrating a Fog/Edge layer in the developed IoT architectures.openEsposito M.; Palma L.; Belli A.; Sabbatini L.; Pierleoni P.Esposito, M.; Palma, L.; Belli, A.; Sabbatini, L.; Pierleoni, P

Joint Design and Separation Principle for Opportunistic Spectrum Access in the Presence of Sensing Errors

We address the design of opportunistic spectrum access (OSA) strategies that allow secondary users to independently search for and exploit instantaneous spectrum availability. Integrated in the joint design are three basic components: a spectrum sensor that identifies spectrum opportunities, a sensing strategy that determines which channels in the spectrum to sense, and an access strategy that decides whether to access based on imperfect sensing outcomes. We formulate the joint PHY-MAC design of OSA as a constrained partially observable Markov decision process (POMDP). Constrained POMDPs generally require randomized policies to achieve optimality, which are often intractable. By exploiting the rich structure of the underlying problem, we establish a separation principle for the joint design of OSA. This separation principle reveals the optimality of myopic policies for the design of the spectrum sensor and the access strategy, leading to closed-form optimal solutions. Furthermore, decoupling the design of the sensing strategy from that of the spectrum sensor and the access strategy, the separation principle reduces the constrained POMDP to an unconstrained one, which admits deterministic optimal policies. Numerical examples are provided to study the design tradeoffs, the interaction between the spectrum sensor and the sensing and access strategies, and the robustness of the ensuing design to model mismatch.Comment: 43 pages, 10 figures, submitted to IEEE Transactions on Information Theory in Feb. 200

CERN openlab Whitepaper on Future IT Challenges in Scientific Research

This whitepaper describes the major IT challenges in scientific research at CERN and several other European and international research laboratories and projects. Each challenge is exemplified through a set of concrete use cases drawn from the requirements of large-scale scientific programs. The paper is based on contributions from many researchers and IT experts of the participating laboratories and also input from the existing CERN openlab industrial sponsors. The views expressed in this document are those of the individual contributors and do not necessarily reflect the view of their organisations and/or affiliates

Statistical priority-based uplink scheduling for M2M communications

Currently, the worldwide network is witnessing major efforts to transform it from being the Internet of humans only to becoming the Internet of Things (IoT). It is expected that Machine Type Communication Devices (MTCDs) will overwhelm the cellular networks with huge traffic of data that they collect from their environments to be sent to other remote MTCDs for processing thus forming what is known as Machine-to-Machine (M2M) communications. Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A) appear as the best technology to support M2M communications due to their native IP support. LTE can provide high capacity, flexible radio resource allocation and scalability, which are the required pillars for supporting the expected large numbers of deployed MTCDs. Supporting M2M communications over LTE faces many challenges. These challenges include medium access control and the allocation of radio resources among MTCDs. The problem of radio resources allocation, or scheduling, originates from the nature of M2M traffic. This traffic consists of a large number of small data packets, with specific deadlines, generated by a potentially massive number of MTCDs. M2M traffic is therefore mostly in the uplink direction, i.e. from MTCDs to the base station (known as eNB in LTE terminology). These characteristics impose some design requirements on M2M scheduling techniques such as the need to use insufficient radio resources to transmit a huge amount of traffic within certain deadlines. This presents the main motivation behind this thesis work. In this thesis, we introduce a novel M2M scheduling scheme that utilizes what we term the “statistical priority” in determining the importance of information carried by data packets. Statistical priority is calculated based on the statistical features of the data such as value similarity, trend similarity and auto-correlation. These calculations are made and then reported by the MTCDs to the serving eNBs along with other reports such as channel state. Statistical priority is then used to assign priorities to data packets so that the scarce radio resources are allocated to the MTCDs that are sending statistically important information. This would help avoid exploiting limited radio resources to carry redundant or repetitive data which is a common situation in M2M communications. In order to validate our technique, we perform a simulation-based comparison among the main scheduling techniques and our proposed statistical priority-based scheduling technique. This comparison was conducted in a network that includes different types of MTCDs, such as environmental monitoring sensors, surveillance cameras and alarms. The results show that our proposed statistical priority-based scheduler outperforms the other schedulers in terms of having the least losses of alarm data packets and the highest rate in sending critical data packets that carry non-redundant information for both environmental monitoring and video traffic. This indicates that the proposed technique is the most efficient in the utilization of limited radio resources as compared to the other techniques

Tiedonlouhinta televerkkojen lokien analysoinnin tukena

Telecommunications network management is based on huge amounts of data that are continuously collected from elements and devices from all around the network. The data is monitored and analysed to provide information for decision making in all operation functions. Knowledge discovery and data mining methods can support fast-pace decision making in network operations. In this thesis, I analyse decision making on different levels of network operations. I identify the requirements decision-making sets for knowledge discovery and data mining tools and methods, and I study resources that are available to them. I then propose two methods for augmenting and applying frequent sets to support everyday decision making. The proposed methods are Comprehensive Log Compression for log data summarisation and Queryable Log Compression for semantic compression of log data. Finally I suggest a model for a continuous knowledge discovery process and outline how it can be implemented and integrated to the existing network operations infrastructure.Tiedonlouhintamenetelmillä analysoidaan suuria tietomääriä, jotka on kerätty esimerkiksi vähittäiskaupan asiakkaista, televerkkojen laitteista, prosessiteollisuuden tuotantolaitoksista, tai erotettu geeneistä tai muista tutkitusta kohteista. Menetelmät havaitsevat tehokkaasti asioiden välisiä yhteyksiä kuten käyttäytymis- ja toimintamalleja ja poikkeamia niistä. Menetelmillä tuotettua tietoa käytetään liike-elämässä ja teollisuudessa toimintojen tehostamiseen sekä tieteessä uusien tutkimustulosten etsimiseen. Tiedonlouhinnan menetelmien ongelmana on niiden monimutkaisuus ja vaikeakäyttöisyys. Pystyäkseen käyttämään menetelmiä, tulee hallita niiden teoreettiset perusteet ja kyetä asettamaan kohdalleen useita kymmeniä tuloksiin vaikuttavia syötearvoja. Tämä on hankalaa käytännön tehtävissä, kuten televerkkojen valvonnassa, joissa seurattavat datamäärät ovat valtavia ja aikaa päätöksen tekoon on vähän: pikemminkin minuutteja kuin tunteja. Minkälaisia tiedonlouhintamenetelmien tulisi olla, jotta ne voitaisiin liittää esimerkiksi osaksi televerkon valvojan työkaluja? Selvittääkseni tiedonlouhintamenetelmille asetettavat vaatimukset tarkastelen väitöskirjassani päätöksentekoa televerkon operoinnin ja ylläpidon eri vaiheissa ja tasoilla. Luon päätöksenteosta mallin ja tarkastelen sitä tukevia tiedonlouhinnan tehtäviä ja niiden tarvitsemia lähtötietoja. Kuvaan teollisessa käyttöympäristössä saatavilla olevan asiantuntemuksen, resurssit ja työvälineet, joiden avulla tiedonlouhintamenetelmiä käytetään ja johdan vaatimuslistan päätöksenteon tukena käytettäville tiedonlouhintamenetelmille. Tutkimuksessani esittelen kaksi menetelmää laajojen tapahtumia sisältävien lokitietokantojen analysointiin. CLC-menetelmä luo ilman etukäteisoppimista tai -määritelmiä annetusta laajasta tapahtumajoukosta tiivistelmän havaitsemalla ja kuvaamalla usein samankaltaisina toistuvat tapahtumat ja tapahtumien ketjut. Menetelmä jättää lokiin asiantuntijan tarkasteltavaksi yksittäiset ja harvoin esiintyvät tapahtumat. QLC-menetelmää puolestaan käytetään lokien tiiviiseen tallennukseen. Sen avulla voidaan lokit tallentaa joissain tapauksissa kolmanneksen pienempään tilaan yleisesti käytettyihin tiivistysmenetelmiin verrattuna. Lisäksi QLC-menetelmän etuna on, että sen avulla tiivistettyihin lokitiedostoihin voidaan kohdistaa kyselyjä ilman, että tiivistystä täytyy erikseen ensin purkaa. Sekä CLC- että QLC-menetelmä täyttää hyvin havaitut tiedonlouhintamenetelmille asetetut vaatimukset. Tutkimuksen lopuksi esitän teollista päätöksentekoa tukevaa jatkuvaa tiedonlouhintaa kuvaavan prosessimallin ja hahmottelen kuinka tiedonlouhintamenetelmät ja -prosessi voidaan yhdistää yrityksen tietojärjestelmään. Olen käyttänyt televerkkojen ylläpitoa tutkimusympäristönä, mutta sekä havaitsemani tiedonlouhintamenetelmille asetettavat vaatimukset että kehittämäni menetelmät ovat sovellettavissa muissa vastaavissa ympäristöissä, joissa tarkkaillaan ja analysoidaan jatkuvaa lokitapahtumien virtaa. Näille ympäristöille on yhteistä, että niissä on jatkuvasti tehtävä päätöksiä, joita ei pystytä tapahtumien ja prosessin tilojen harvinaisuuden tai moniselitteisyyden takia automatisoimaan. Tällaisia ovat muun muassa tietoturvalokit, verkkopalvelujen käytön seuranta, teollisten prosessien ylläpito, sekä laajojen logistiikkapalveluiden seuranta