Optimal Placement of Multiple Interconnected Gateways in Heterogeneous Wireless Sensor Networks

Data c ollec ted b y sensors of ten h av e to b e rem otely d eliv ered th rou g h m u lti- h op w ireless path s to d ata sink s c onnec ted to applic ation ser v ers for inform ation proc essing . T h e position of th ese sink s h as a h u g e im pac t on th e q u ality of th e spec i c W ireless S ensor N etw or k ( W S N ) . Ind eed , it m ay c reate ar ti c ial traf c b ottlenec k s w h ic h affec t th e energ y ef c ienc y and th e W S N lifetim e. T h is paper c onsid ers a h eterog eneou s netw or k sc enar io w h ere w ireless sensors d eliv er d ata to inter m ed iate g atew ay s g eared w ith a d iv erse w ireless tec h nolog y and inter c onnec ted tog eth er and to th e sink . An optim iz ation f ram ew or k b ased on Integ er L inear P rog ram m ing (IL P ) is d ev eloped to loc ate w ireless g atew ay s m inim iz ing th e ov erall installation c ost and th e energ y c onsu m ption in th e W S N , w h ile ac c ou nting for m u lti- h op c ov erag e b etw een sensors and g atew ay s, and c onnec tiv ity am ong w ireless g atew ay s. T h e proposed IL P for m u lations are solv ed to optim ality for m ed iu m -siz e instanc es to analy z e th e q u ality of th e d esig ned netw or k s, and h eu r istic alg or ith m s are also proposed to tac k le larg e-sc ale h eterog eneou s sc enar ios

Compromis énergie-délai pour la collecte de données dans les réseaux de capteurs

International audienceLes réseaux de capteurs sont utilisés afin de collecter un grand nombre de données de l'environnement. Ces données sont délivrées au travers de l'interface de communication sans fil des capteurs par des communications multi-sauts jusqu'au puits traitant l'information. Le placement de ce puits influe sur les performances des réseaux de capteurs en ce qui concerne le délai et la consommation énergétique, en particulier celle des capteurs intermédiaires servant de relais. L'optimisation de la collecte des données est donc un aspect important dans l'étude des réseaux de capteurs sans fil. Notre article s'intéresse à la collecte de données utilisant des puits mobiles. Nous proposons un modèle permettant d'étudier le compromis entre la consommation énergétique du réseau et le délai de collecte des données

Immersive interconnected virtual and augmented reality : a 5G and IoT perspective

Despite remarkable advances, current augmented and virtual reality (AR/VR) applications are a largely individual and local experience. Interconnected AR/VR, where participants can virtually interact across vast distances, remains a distant dream. The great barrier that stands between current technology and such applications is the stringent end-to-end latency requirement, which should not exceed 20 ms in order to avoid motion sickness and other discomforts. Bringing AR/VR to the next level to enable immersive interconnected AR/VR will require significant advances towards 5G ultra-reliable low-latency communication (URLLC) and a Tactile Internet of Things (IoT). In this article, we articulate the technical challenges to enable a future AR/VR end-to-end architecture, that combines 5G URLLC and Tactile IoT technology to support this next generation of interconnected AR/VR applications. Through the use of IoT sensors and actuators, AR/VR applications will be aware of the environmental and user context, supporting human-centric adaptations of the application logic, and lifelike interactions with the virtual environment. We present potential use cases and the required technological building blocks. For each of them, we delve into the current state of the art and challenges that need to be addressed before the dream of remote AR/VR interaction can become reality

Greening and Optimizing Energy Consumption of Sensor Nodes in the Internet of Things through Energy Harvesting: Challenges and Approaches

This paper presents a survey of current energy efficient technologies that could drive the IoT revolution while examining critical areas for energy improvements in IoT sensor nodes. The paper reviews improvements in emerging energy techniques which promise to revolutionize the IoT landscape. Moreover, the current work also studies the sources of energy consumption by the IoT sensor nodes in a network and the metrics adopted by various researchers in optimizing the energy consumption of these nodes. Increasingly, researchers are exploring better ways of sourcing sufficient energy along with optimizing the energy consumption of IoT sensor nodes and making these energy sources green. Energy harvesting is the basis of this new energy source. The harvested energy could serve both as the principal and alternative energy source of power and thus increase the energy constancy of the IoT systems by providing a green, sufficient and optimal power source among IoT devices. Communication of IoT nodes in a heterogeneous IoT network consumes a lot of energy and the energy level in the nodes depletes with time. There is the need to optimize the energy consumption of such nodes and the current study discusses this as well

Ambient intelligence in buildings : design and development of an interoperable Internet of Things platform

During many years, people and governments have been warned about the increasing levels of pollution and greenhouse gases (GHG) emissions that are endangering our lives on this planet. The Information and Communication Technology sector, usually known as the ICT sector, responsible for the computerization of the society, has been pinpointed as one of the most important sectors contributing to such a problem. Many efforts, however, have been put to shift the trend towards the utilization of renewable resources, such as wind or solar power. Even though governments have agreed to follow this path and avoid the usage of non-renewable energies, it is not enough. Although the ICT sector might seem an added problem due to the number of connected devices, technology improvements and hardware optimization enable new ways of fighting against global warming and GHG emissions. The aforementioned computerization has forced companies to evolve their work into a computer-assisted one. Due to this, companies are now forced to establish their main headquarters inside buildings for work coordination, connection and management. Due to this, buildings are becoming one of the most important issues regarding energy consumption. In order to cope with such problem, the Internet of Things (IoT) offers new paradigms and alternatives for leading the change. IoT is commonly defined as the network of physical and virtual objects that are capable of collecting surrounding data and exchanging it between them or through the Internet. Thanks to these networks, it is possible to monitor any thinkable metric inside buildings, and, then, utilize this information to build efficient automated systems, commonly known as Building Energy Management Systems (BEMS), capable of extracting conclusions on how to optimally and efficiently manage the resources of the building. ICT companies have foreseen this market opportunity that, paired with the appearance of smaller, efficient and more durable sensors, allows the development of efficient IoT systems. However, the lack of agreement and standardization creates chaos inside IoT, and the horizontal connectivity between such systems is still a challenge. Moreover, the vast amount of data to process requires the utilization of Big Data techniques to guarantee close to real-time responses. This thesis initially presents a standard Cloud-based IoT architecture that tries to cope with the aforementioned problems by employing a Cloud middleware that obfuscates the underlying hardware architecture and permits the aggregation of data from multiple heterogeneous sources. Also, sensor information is exposed to any third-party client after authentication. The utilization of automated IoT systems for managing building resources requires high reliability, resilience, and availability. The loss of sensor data is not permitted due to the negative consequences it might have, such as disruptive resource management. For this, it is mandatory to grant backup options to sensor networks in order to guarantee correct functioning in case of partial network disconnections. Additionally, the placement of the sensors inside the building must guarantee minimal energy consumption while fulfilling sensing requirements. Finally, a building resource management use case is presented by means of a simulation tool. The tool draws on occupants' probabilistic models and environmental condition models for actuating upon building elements to ensure optimal and efficient functioning. Occupants' comfort is also taken into consideration and the trade-off between the two metrics is studied. All the presented work is meant to deliver insights and tools for current and future IoT system implementations by setting the basis for standardization agreements yet to happen.Durant molts anys, s'ha alertat a la població i als governs sobre l'increment en els nivells de pol·lució i d'emissió de gasos d'efecte hivernacle, que estan posant en perill la nostra vida a la Terra. El sector de les Tecnologies de la Informació i Comunicació, normalment conegut com les TIC, responsable de la informatització de la societat, ha estat senyalat com un dels sectors més importants encarregat d'agreujar tal problema. Però, molt esforç s'està posant per revertir aquesta situació mitjançant l'ús de recursos renovables, com l'energia eòlica o solar. Tot i que els governs han acordat seguir dit camí i evitar l'ús d'energia no renovable tant com sigui possible, no és suficient per erradicar el problema. Encara que el sector de les TIC pugui semblar un problema afegit donada la gran quantitat i l'increment de dispositius connectats, les millores en tecnologia i en hardware estan habilitant noves maneres de lluitar contra l'escalfament global i l'emissió de gasos d'efecte hivernacle. La informatització, anteriorment mencionada, ha forçat a les empreses a evolucionar el seu model de negoci cap a un més enfocat a la utilització de xarxes d'ordinadors per gestionar els seus recursos. Per això, dites companyies s'estan veient forçades a establir les seves seus centrals dintre d'edificis, per tenir un major control sobre la coordinació, connexió i maneig dels seus recursos. Això està provocant un augment en el consum energètic dels edificis, que s'estan convertint en un dels principals problemes. Per poder fer front al problema, la Internet de les Coses o Internet of Things (IoT) ofereix nous paradigmes i alternatives per liderar el canvi. IoT es defineix com la xarxa d'objectes físics i virtuals, capaços de recol·lectar la informació per construir sistemes automatitzats, coneguts com a Sistemes de Gestió Energètica per Edificis, capaços d'extreure conclusions sobre com utilitzar de manera eficient i òptima els recursos de l'edifici. Companyies pertanyents a les TIC han previst aquesta oportunitat de mercat que, en sincronia amb l'aparició de sensors més petits, eficients i duradors, permeten el desenvolupament de sistemes IoT eficients. Però, la falta d'acord en quant a l'estandardització de dits sistemes està creant un escenari caòtic, ja que s'està fent impossible la connectivitat horitzontal entre dits sistemes. A més, la gran quantitat de dades a processar requereix la utilització de tècniques de Big Data per poder garantir respostes en temps acceptables. Aquesta tesi presenta, inicialment, una arquitectura IoT estàndard basada en la Neu, que tracta de fer front als problemes anteriorment presentats mitjançant l'ús d'un middleware allotjat a la Neu que ofusca l'arquitectura hardware subjacent i permet l'agregació de la informació originada des de múltiples fonts heterogènies. A més, la informació dels sensors s'exposa perquè qualsevol client de tercers pugui consultar-la, després d'haver-se autenticat. La utilització de sistemes IoT automatitzats per gestionar els recursos dels edificis requereix un alt nivell de fiabilitat, resistència i disponibilitat. La perduda d'informació no està permesa degut a les conseqüències negatives que podría suposar, com una mala presa de decisions. Per això, és obligatori atorgar opcions de backup a les xarxes de sensors per garantir un correcte funcionament inclús quan es produeixen desconnexions parcials de la xarxa. Addicionalment, la col·locació dels sensors dintre de l'edifici ha de garantir un consum energètic mínim dintre de les restriccions de desplegament imposades. Finalment, presentem un cas d'ús d'un Sistema de Gestió Energètica per Edificis mitjançant una eina de simulació. Dita eina utilitza com informació d'entrada models probabilístics sobre les accions dels ocupants i models sobre la condició ambiental per actuar sobre els elements de l'edifici i garantir un funcionament òptim i eficient. A més, el confort dels ocupants també es considera com mètrica a optimitzar. Donada la impossibilitat d’optimitzar les dues mètriques de manera conjunta, aquesta tesi també presenta un estudi sobre el trade-off que existeix entre elles. Tot el treball presentat està pensat per atorgar idees i eines pels sistemes IoT actuals i futurs, i assentar les bases per l’estandardització que encara està per arribar.Durante muchos años, se ha alertado a la población y a los gobiernos acerca del incremento en los niveles de polución y de emisión de gases de efecto invernadero, que están poniendo en peligro nuestra vida en la Tierra. El sector de las Tecnologías de la Información y Comunicación, normalmente conocido como las TIC, responsable de la informatización de la sociedad, ha sido señalada como uno de los sectores más importantes encargado de agravar tal problema. Sin embargo, mucho esfuerzo se está poniendo para revertir esta situación mediante el uso de recursos renovables, como la energía eólica o solar. A pesar de que los gobiernos han acordado seguir dicho camino y evitar el uso de energía no renovable tanto como sea posible, no es suficiente para erradicar el problema. Aunque el sector de las TIC pueda parecer un problema añadido dada la gran cantidad y el incremento de dispositivos conectados, las mejoras en tecnología y en hardware están habilitando nuevas maneras de luchar contra el calentamiento global y la emisión de gases de efecto invernadero. Durante las últimas décadas, compañías del sector público y privado conscientes del problema han centrado sus esfuerzos en la creación de soluciones orientadas a la eficiencia energética tanto a nivel de hardware como de software. Las nuevas redes troncales están siendo creadas con dispositivos eficientes y los proveedores de servicios de Internet tienden a crear sistemas conscientes de la energía para su optimización dentro de su dominio. Siguiendo esta tendencia, cualquier nuevo sistema creado y añadido a la red debe garantizar un cierto nivel de conciencia y un manejo óptimo de los recursos que utiliza. La informatización, anteriormente mencionada, ha forzado a las empresas a evolucionar su modelo de negocio hacia uno más enfocado en la utilización de redes de ordenadores para gestionar sus recursos. Por eso, dichas compañías se están viendo forzadas a establecer sus sedes centrales dentro de edificios, para tener un mayor control sobre la coordinación, conexión y manejo de sus recursos. Esto está provocando un aumento en el consumo energético de los edificios, que se están convirtiendo en uno de los principales problemas. Para poder hacer frente al problema, el Internet de las Cosas o Internet of Things (IoT) ofrece nuevos paradigmas y alternativas para liderar el cambio. IoT se define como la red de objetos físicos y virtuales, capaces de recolectar la información del entorno e intercambiarla entre los propios objetos o a través de Internet. Gracias a estas redes, es posible monitorizar cualquier métrica que podamos imaginar dentro de un edificio, y, después, utilizar dicha información para construir sistemas automatizados, conocidos como Sistemas de Gestión Energética para Edificios, capaces de extraer conclusiones sobre cómo utilizar de manera eficiente y óptima los recursos del edificio. Compañías pertenecientes a las TIC han previsto esta oportunidad de mercado que, en sincronía con la aparición de sensores más pequeños, eficientes y duraderos, permite el desarrollo de sistemas IoT eficientes. Sin embargo, la falta de acuerdo en cuanto a la estandarización de dichos sistemas está creando un escenario caótico, ya que se hace imposible la conectividad horizontal entre dichos sistemas. Además, la gran cantidad de datos a procesar requiere la utilización de técnicas de Big Data para poder garantizar respuestas en tiempos aceptables. Esta tesis presenta, inicialmente, una arquitectura IoT estándar basada en la Nube que trata de hacer frente a los problemas anteriormente presentados mediante el uso de un middleware alojado en la Nube que ofusca la arquitectura hardware subyacente y permite la agregación de la información originada des de múltiples fuentes heterogéneas. Además, la información de los sensores se expone para que cualquier cliente de terceros pueda consultarla, después de haberse autenticado. La utilización de sistemas IoT automatizados para manejar los recursos de los edificios requiere un alto nivel de fiabilidad, resistencia y disponibilidad. La pérdida de información no está permitida debido a las consecuencias negativas que podría suponer, como una mala toma de decisiones. Por eso, es obligatorio otorgar opciones de backup a las redes de sensores para garantizar su correcto funcionamiento incluso cuando se producen desconexiones parciales de la red. Adicionalmente, la colocación de los sensores dentro del edificio debe garantizar un consumo energético mínimo dentro de las restricciones de despliegue impuestas. En esta tesis, mejoramos el problema de colocación de los sensores para redes heterogéneas de sensores inalámbricos añadiendo restricciones de clustering o agrupamiento, para asegurar que cada tipo de sensor es capaz de obtener su métrica correspondiente, y restricciones de protección mediante la habilitación de rutas de transmisión secundarias. En cuanto a grandes redes homogéneas de sensores inalámbricos, esta tesis estudia aumentar su resiliencia mediante la identificación de los sensores más críticos. Finalmente, presentamos un caso de uso de un Sistema de Gestión Energética para Edificios mediante una herramienta de simulación. Dicha herramienta utiliza como información de entrada modelos probabilísticos sobre las acciones de los ocupantes y modelos sobre la condición ambiental para actuar sobre los elementos del edificio y garantizar un funcionamiento óptimo y eficiente. Además, el comfort de los ocupantes también se considera como métrica a optimizar. Dada la imposibilidad de optimizar las dos métricas de manera conjunta, esta tesis también presenta un estudio sobre el trade-off que existe entre ellas. Todo el trabajo presentado está pensado para otorgar ideas y herramientas para los sistemas IoT actuales y futuros, y asentar las bases para la estandarización que todavía está por llegar.Postprint (published version

A Hybrid SDN-based Architecture for Wireless Networks

With new possibilities brought by the Internet of Things (IoT) and edge computing, the traffic demand of wireless networks increases dramatically. A more sophisticated network management framework is required to handle the flow routing and resource allocation for different users and services. By separating the network control and data planes, Software-defined Networking (SDN) brings flexible and programmable network control, which is considered as an appropriate solution in this scenario.Although SDN has been applied in traditional networks such as data centers with great successes, several unique challenges exist in the wireless environment. Compared with wired networks, wireless links have limited capacity. The high mobility of IoT and edge devices also leads to network topology changes and unstable link qualities. Such factors restrain the scalability and robustness of an SDN control plane. In addition, the coexistence of heterogeneous wireless and IoT protocols with distinct representations of network resources making it difficult to process traffic with state-of-the-art SDN standards such as OpenFlow. In this dissertation, we design a novel architecture for the wireless network management. We propose multiple techniques to better adopt SDN to relevant scenarios. First, while maintaining the centralized control plane logically, we deploy multiple SDN controller instances to ensure their scalability and robustness. We propose algorithms to determine the controllers\u27 locations and synchronization rates that minimize the communication costs. Then, we consider handling heterogeneous protocols in Radio Access Networks (RANs). We design a network slicing orchestrator enabling allocating resources across different RANs controlled by SDN, including LTE and Wi-Fi. Finally, we combine the centralized controller with local intelligence, including deploying another SDN control plane in edge devices locally, and offloading network functions to a programmable data plane. In all these approaches, we evaluate our solutions with both large-scale emulations and prototypes implemented in real devices, demonstrating the improvements in multiple performance metrics compared with state-of-the-art methods