Low-Power Wide-Area Networks: A Broad Overview of its Different Aspects

Low-power wide-area networks (LPWANs) are gaining popularity in the research community due to their low power consumption, low cost, and wide geographical coverage. LPWAN technologies complement and outperform short-range and traditional cellular wireless technologies in a variety of applications, including smart city development, machine-to-machine (M2M) communications, healthcare, intelligent transportation, industrial applications, climate-smart agriculture, and asset tracking. This review paper discusses the design objectives and the methodologies used by LPWAN to provide extensive coverage for low-power devices. We also explore how the presented LPWAN architecture employs various topologies such as star and mesh. We examine many current and emerging LPWAN technologies, as well as their system architectures and standards, and evaluate their ability to meet each design objective. In addition, the possible coexistence of LPWAN with other technologies, combining the best attributes to provide an optimum solution is also explored and reported in the current overview. Following that, a comparison of various LPWAN technologies is performed and their market opportunities are also investigated. Furthermore, an analysis of various LPWAN use cases is performed, highlighting their benefits and drawbacks. This aids in the selection of the best LPWAN technology for various applications. Before concluding the work, the open research issues, and challenges in designing LPWAN are presented.publishedVersio

QoS-Based Optimization of Runtime Management of Sensing Cloud Applications

Die vorliegende Arbeit präsentiert Ansätze und Techniken zur qualitätsbewussten Verbesserung des Laufzeitmanagements von IoT-Anwendungen. IoT-Anwendungen nehmen über die Sensorik von Smart Devices ihre Umgebung wahr, um diese zu analysieren oder mit ihr zu interagieren. Smart Devices sind in der Rechen- und Speicherleistung begrenzt, weshalb viele IoT-Anwendungen über eine IoT Plattform mit elastischen und skalierbaren Cloud Services verbunden sind. Die Last auf dem Cloud Service entsteht durch die verbundenen Smart Devices, die kontinuierlich Nachrichten transferieren. Die Ressourcenkonfiguration des Cloud Services beeinflusst dessen Kapazität. Ein Service Operator, der eine IoT-Anwendung betreibt, ist mit der Herausforderung konfrontiert, die Smart Devices und den Cloud Service so zu konfigurieren, dass eine hohe Datenqualität bei niedrigen Betriebskosten erreicht wird. Um hierbei den Service Operator zur Design Time zu unterstützen, modellieren wir Kostenfunktionen für Datenqualitäten, die durch das Wechselspiel der Smart Device- und Cloud Service-Konfiguration beeinflusst werden. Mit Hilfe dieser Kostenfunktionen kann ein Service Operator nach einer kostenminimalen Konfiguration für bestimmte Szenarien suchen. Existierende Ansätze zur Optimierung von Anwendungen zur Design Time fokussieren sich auf traditionelle Software-Architekturen und bieten daher nicht die notwendigen Konzepte zur Kostenmodellierung von IoT-Anwendungen an. Des Weiteren unterstützen wir den Service Operator durch Lastkontrollverfahren, die auf Kapazitätsengpässe des Cloud Services durch eine kontrollierte Reduktion der Nachrichtenrate reagieren. Während sich das auf die Genauigkeit der Messungen nachteilig auswirken kann, stabilisieren sich zeitliche Verzögerungen und die IoT-Anwendung bleibt auch in starken Überlastszenarien verfügbar. Existierende Laufzeittechniken fokussieren sich auf die automatische Ressourcenprovisionierung von Cloud Services durch Auto-Scaler. Diese ermöglichen zwar, auf Kapazitätsengpässe und Lastschwankungen zu reagieren, doch die erreichte Quality-of-Service (QoS) kann dadurch mit hohen Betriebskosten verbunden sein. Daher ermöglichen wir durch die Lastkontrollverfahren eine weitere Technik, mit der einerseits dynamisch auf Kapazitätsengpässe reagiert werden und andererseits die zur Verfügung stehende Kapazität eines Cloud Services effizient genutzt werden kann. Außerdem präsentieren wir Kopplungstechniken, die Auto-Scaling und Lastkontrollverfahren kombinieren. Bestehende Ansätze zur Rekonfiguration von Smart Devices konzentrieren sich auf Qualitäten wie Genauigkeit oder Energie-Effizienz und sind daher ungeeignet, um auf Kapazitätsengpässe zu reagieren. Zusammenfassend liefert die Dissertation die folgenden Beiträge: 1. Untersuchung von Performance Metriken für Skalierentscheidungen: Wir haben Infrastuktur- und Anwendungsebenen-Metriken daraufhin evaluiert, wie geeignet sie für Skalierentscheidungen von Microservices sind, die variierende Charakteristiken aufweisen. Auf Basis der Ergebnisse kann ein Service Operator eine fundierte Entscheidung darüber treffen, welche Performance Metrik zur Skalierung eines bestimmten Microservices am geeignesten ist. 2. Design von QoS Kostenfunktionen für IoT-Anwendungen: Wir haben ein QoS Kostenmodell aufgestellt, dass das Wirken von Smart Device- und Cloud Service-Konfiguration auf die Qualitäten einer IoT-Anwendung erfasst. Auf Grundlage dieser Kostenmodelle kann die Konfiguration von IoT-Anwendungen zur Design Time optimiert werden. Des Weiteren können mit den Kostenfunktionen Laufzeitverfahren hinsichtlich ihrem Beitrag zur QoS für verschiedene Szenarien evaluiert werden. 3. Entwicklung von Lastkontrollverfahren für IoT-Anwendungen: Die präsentierten Verfahren bieten einen komplementären Mechanismus zu Auto-Scaling an, um bei Kapazitätsengpässen die QoS aufrechtzuerhalten. Hierbei wird die Gesamtlast auf dem Cloud Service durch Anpassungen der Nachrichtenrate der Smart Devices reduziert. Ein Service Operator hat hiermit die Möglichkeit, Kapazitätsengpässen über eine Degradierung der Datenqualität zu begegnen. 4. Kopplung von Lastkontrollverfahren mit Ressourcen-Provisionierung: Wir präsentieren regelbasierte Kopplungsmechanismen, die reaktiv Lastkontrollverfahren oder Auto-Scaler aktivieren und diese damit koppeln. Das ermöglicht, auf Kapazitätsengpässe über eine Kombination von Datenqualitätsreduzierungen und Ressourcekostenerhöhungen zu reagieren. 5. Design eines Frameworks zur Entwicklung selbst-adaptiver Systeme: Das selbst-adaptive Framework bietet ein Anwendungsmodell für IoT-Anwendungen und Konzepte für die Rekonfiguration von Microservices und Smart Devices an. Es kann in verschiedenen Cloud-Umgebungen aufgesetzt werden und beschleunigt die prototypische Entwicklung von Laufzeitverfahren. Wir validierten die Ansätze anhand zweier Case Study Systeme unterschiedlicher Komplexität. Das erste Case Study System besteht aus einem Cloud Service, welcher über eine IoT Plattform Nachrichten von virtuellen Smart Devices verarbeitet. Mit diesem System haben wir für unterschiedliche Anwendungsszenarien die Charakteristiken der vorgestellten Lastkontrollverfahren analysiert, um diese gegen Auto-Scaling und einer Kopplung der Ansätze zu vergleichen. Hierbei stellte sich heraus, dass die Lastkontrollverfahren ähnlich effizient wie Auto-Scaler Überlastszenarien addressieren können und sich die QoS in einem vergleichbaren Bereich bewegt. Im Schnitt erreichten die Lastkontrollverfahren in den untersuchten Szenarien etwa 50 % geringere QoS Gesamtkosten. Es zeigte sich auch, dass sowohl Auto-Scaling als auch die Lastkontrollverfahren in bestimmten Anwendungsszenarien deutliche Nachteile haben, so z. B. wenn die Datengenauigkeit oder Ressourcenkosten im Vordergrund stehen. Es hat sich gezeigt, dass eine Kopplung hierbei immer vorteilhaft ist, um die QoS beizubehalten. Im zweiten Case Study System haben wir eine intelligente Heizungslösung der Robert Bosch GmbH implementiert, um die Ansätze an einem komplexeren System zu validieren. Auch hier zeigte sich, dass eine Kombination von Lastkontrolle und Auto-Scaling am vorteilhaftesten ist und zu einer hohen Datenqualität bei geringen Ressourcenkosten beiträgt. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellten Lastkontrollverfahren geeignet sind, die QoS von IoT Anwendungen zu verbessern. Es bietet einem Service Operator damit ein weiteres Werkzeug für das Laufzeitmanagement von IoT Anwendungen, dass einen zum Auto-Scaling komplementären Mechanismus verwendet. Das hier vorgestellte Framework zur Entwicklung selbst-adaptiver IoT Systeme haben wir zur empirischen Beantwortung der Forschungsfragen instanziiert und damit dessen Eignung demonstriert. Wir zeigen außerdem eine exemplarische Verwendung der vorgestellten Kostenfunktionen für verschiedene Anwendungsszenarien und binden diese im Zuge der Validierung in einem Optimierungs-Framework ein