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Performance Evaluation of LTE-CommSense System for Discriminating the Presence of Multiple Objects in Outdoor Environment
Long-term evolution (LTE)-CommSense is a novel instrumentation scheme, which analyzes channel-affected reference signals of LTE downlink signal to obtain knowledge about the environmental change. This paper presents the characterization of LTE-CommSense instrument to detect the presence or absence of objects in an outdoor environment. In addition, we analyze its capability of detecting and distinguishing when multiple objects are present. For performance evaluation and characterization of this instrument, we derive object detection accuracy, false acceptance rate (FAR), false rejection rate (FRR), and resolution which we believe are the most important figures of merit in this case. As the operation of LTE-CommSense is to detect events instead of objects, we redefine the concept of resolution for LTE-CommSense. Two different proposals to represent the redefined resolution, viz., Neyman-Pearson principle-based and Cramer-Rao principle-based resolutions, are presented here. All the performance metrics are derived using practical data captured using a software-defined radio (SDR) platform modeled as an LTE-CommSense receiver. We observe that LTE-CommSense provides better performance in detecting the presence or absence of objects at near range
Performance Assessment of Routing Protocols for IoT/6LoWPAN Networks
The Internet of Things (IoT) proposes a disruptive communication paradigm that allows
smart objects to exchange data among themselves to reach a common goal. IoT application
scenarios are multiple and can range from a simple smart home lighting system to fully controlled
automated manufacturing chains. In the majority of IoT deployments, things are equipped with
small devices that can suffer from severe hardware and energy restrictions that are responsible
for performing data processing and wireless communication tasks. Thus, due to their features,
communication networks that are used by these devices are generally categorized as Low Power
and Lossy Networks (LLNs).
The considerable variation in IoT applications represents a critical issue to LLN networks,
which should offer support to different requirements as well as keeping reasonable
quality-of-service (QoS) levels. Based on this challenge, routing protocols represent a key issue
in IoT scenarios deployment. Routing protocols are responsible for creating paths among devices
and their interactions. Hence, network performance and features are highly dependent
on protocol behavior. Also, based on the adopted protocol, the support for some specific requirements
of IoT applications may or may not be provided. Thus, a routing protocol should be
projected to attend the needs of the applications considering the limitations of the device that
will execute them.
Looking to attend the demand of routing protocols for LLNs and, consequently, for IoT
networks, the Internet Engineering Task Force (IETF) has designed and standardized the IPv6
Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks (RPL). This protocol, although being robust
and offering features to fulfill the need of several applications, still presents several faults and
weaknesses (mainly related to its high complexity and memory requirement), which limits its
adoption in IoT scenarios. An alternative to RPL, the Lightweight On-demand Ad Hoc Distancevector
Routing Protocol – Next Generation (LOADng) has emerged as a less complicated routing
solution for LLNs. However, the cost of its simplicity is paid for with the absence of adequate
support for a critical set of features required for many IoT environments. Thus, based on the
challenging open issues related to routing in IoT networks, this thesis aims to study and propose
contributions to better attend the network requirements of IoT scenarios. A comprehensive survey,
reviewing state-of-the-art routing protocols adopted for IoT, identified the strengths and
weaknesses of current solutions available in the literature. Based on the identified limitations,
a set of improvements is designed to overcome these issues and enhance IoT network performance.
The novel solutions are proposed to include reliable and efficient support to attend
the needs of IoT applications, such as mobility, heterogeneity, and different traffic patterns.
Moreover, mechanisms to improve the network performance in IoT scenarios, which integrate
devices with different communication technologies, are introduced.
The studies conducted to assess the performance of the proposed solutions showed
the high potential of the proposed solutions. When the approaches presented in this thesis
were compared with others available in the literature, they presented very promising results
considering the metrics related to the Quality of Service (QoS), network and energy efficiency,
and memory usage as well as adding new features to the base protocols. Hence, it is believed
that the proposed improvements contribute to the state-of-the-art of routing solutions for IoT
networks, increasing the performance and adoption of enhanced protocols.A Internet das Coisas, do inglês Internet of Things (IoT), propõe um paradigma de
comunicação disruptivo para possibilitar que dispositivos, que podem ser dotados de comportamentos
autónomos ou inteligentes, troquem dados entre eles buscando alcançar um objetivo
comum. Os cenários de aplicação do IoT são muito variados e podem abranger desde um simples
sistema de iluminação para casa até o controle total de uma linha de produção industrial. Na
maioria das instalações IoT, as “coisas” são equipadas com um pequeno dispositivo, responsável
por realizar as tarefas de comunicação e processamento de dados, que pode sofrer com severas
restrições de hardware e energia. Assim, devido às suas características, a rede de comunicação
criada por esses dispositivos é geralmente categorizada como uma Low Power and Lossy Network
(LLN).
A grande variedade de cenários IoT representam uma questão crucial para as LLNs,
que devem oferecer suporte aos diferentes requisitos das aplicações, além de manter níveis
de qualidade de serviço, do inglês Quality of Service (QoS), adequados. Baseado neste desafio,
os protocolos de encaminhamento constituem um aspecto chave na implementação de
cenários IoT. Os protocolos de encaminhamento são responsáveis por criar os caminhos entre
os dispositivos e permitir suas interações. Assim, o desempenho e as características da rede
são altamente dependentes do comportamento destes protocolos. Adicionalmente, com base
no protocolo adotado, o suporte a alguns requisitos específicos das aplicações de IoT podem
ou não ser fornecidos. Portanto, estes protocolos devem ser projetados para atender as necessidades
das aplicações assim como considerando as limitações do hardware no qual serão
executados.
Procurando atender às necessidades dos protocolos de encaminhamento em LLNs e,
consequentemente, das redes IoT, a Internet Engineering Task Force (IETF) desenvolveu e padronizou
o IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks (RPL). O protocolo, embora
seja robusto e ofereça recursos para atender às necessidades de diferentes aplicações, apresenta
algumas falhas e fraquezas (principalmente relacionadas com a sua alta complexidade e
necessidade de memória) que limitam sua adoção em cenários IoT. Em alternativa ao RPL, o
Lightweight On-demand Ad hoc Distance-vector Routing Protocol – Next Generation (LOADng)
emergiu como uma solução de encaminhamento menos complexa para as LLNs. Contudo, o
preço da simplicidade é pago com a falta de suporte adequado para um conjunto de recursos
essenciais necessários em muitos ambientes IoT. Assim, inspirado pelas desafiadoras questões
ainda em aberto relacionadas com o encaminhamento em redes IoT, esta tese tem como objetivo
estudar e propor contribuições para melhor atender os requisitos de rede em cenários IoT.
Uma profunda e abrangente revisão do estado da arte sobre os protocolos de encaminhamento
adotados em IoT identificou os pontos fortes e limitações das soluções atuais. Com base nas debilidades
encontradas, um conjunto de soluções de melhoria é proposto para superar carências
existentes e melhorar o desempenho das redes IoT. As novas soluções são propostas para incluir
um suporte confiável e eficiente capaz atender às necessidades das aplicações IoT relacionadas
com suporte à mobilidade, heterogeneidade dos dispositivos e diferentes padrões de tráfego.
Além disso, são introduzidos mecanismos para melhorar o desempenho da rede em cenários IoT
que integram dispositivos com diferentes tecnologias de comunicação.
Os vários estudos realizados para mensurar o desempenho das soluções propostas mostraram
o grande potencial do conjunto de melhorias introduzidas. Quando comparadas com
outras abordagens existentes na literatura, as soluções propostas nesta tese demonstraram um aumento do desempenho consistente para métricas relacionadas a qualidade de serviço, uso de
memória, eficiência energética e de rede, além de adicionar novas funcionalidades aos protocolos
base. Portanto, acredita-se que as melhorias propostas contribuiem para o avanço do estado
da arte em soluções de encaminhamento para redes IoT e aumentar a adoção e utilização dos
protocolos estudados