Intelligent context-aware services based on internet of things architectures

La Internet de las Cosas (IoT), como parte de la Futura Internet, se ha convertido en la actualidad en uno de los principales temas de investigación; en parte gracias a la atención que la sociedad está poniendo en el desarrollo de determinado tipo de servicios (telemetría, generación inteligente de energía, telesanidad, etc.) y por las recientes previsiones económicas que sitúan a algunos actores, como los operadores de telecomunicaciones (que se encuentran desesperadamente buscando nuevas oportunidades), al frente empujando algunas tecnologías interrelacionadas como las comunicaciones Máquina a Máquina (M2M). En este contexto, un importante número de actividades de investigación a nivel mundial se están realizando en distintas facetas: comunicaciones de redes de sensores, procesado de información, almacenamiento de grandes cantidades de datos (big--‐data), semántica, arquitecturas de servicio, etc. Todas ellas, de forma independiente, están llegando a un nivel de madurez que permiten vislumbrar la realización de la Internet de las Cosas más que como un sueño, como una realidad tangible. Sin embargo, los servicios anteriormente mencionados no pueden esperar a desarrollarse hasta que las actividades de investigación obtengan soluciones holísticas completas. Es importante proporcionar resultados intermedios que eviten soluciones verticales realizadas para desarrollos particulares. En este trabajo, nos hemos focalizado en la creación de una plataforma de servicios que pretende facilitar, por una parte la integración de redes de sensores y actuadores heterogéneas y geográficamente distribuidas, y por otra lado el desarrollo de servicios horizontales utilizando dichas redes y la información que proporcionan. Este habilitador se utilizará para el desarrollo de servicios y para la experimentación en la Internet de las Cosas. Previo a la definición de la plataforma, se ha realizado un importante estudio focalizando no sólo trabajos y proyectos de investigación, sino también actividades de estandarización. Los resultados se pueden resumir en las siguientes aseveraciones: a) Los modelos de datos definidos por el grupo “Sensor Web Enablement” (SWE™) del “Open Geospatial Consortium (OGC®)” representan hoy en día la solución más completa para describir las redes de sensores y actuadores así como las observaciones. b) Las interfaces OGC, a pesar de las limitaciones que requieren cambios y extensiones, podrían ser utilizadas como las bases para acceder a sensores y datos. c) Las redes de nueva generación (NGN) ofrecen un buen sustrato que facilita la integración de redes de sensores y el desarrollo de servicios. En consecuencia, una nueva plataforma de Servicios, llamada Ubiquitous Sensor Networks (USN), se ha definido en esta Tesis tratando de contribuir a rellenar los huecos previamente mencionados. Los puntos más destacados de la plataforma USN son: a) Desde un punto de vista arquitectónico, sigue una aproximación de dos niveles (Habilitador y Gateway) similar a otros habilitadores que utilizan las NGN (como el OMA Presence). b) Los modelos de datos están basado en los estándares del OGC SWE. iv c) Está integrado en las NGN pero puede ser utilizado sin ellas utilizando infraestructuras IP abiertas. d) Las principales funciones son: Descubrimiento de sensores, Almacenamiento de observaciones, Publicacion--‐subscripcion--‐notificación, ejecución remota homogénea, seguridad, gestión de diccionarios de datos, facilidades de monitorización, utilidades de conversión de protocolos, interacciones síncronas y asíncronas, soporte para el “streaming” y arbitrado básico de recursos. Para demostrar las funcionalidades que la Plataforma USN propuesta pueden ofrecer a los futuros escenarios de la Internet de las Cosas, se presentan resultados experimentales de tres pruebas de concepto (telemetría, “Smart Places” y monitorización medioambiental) reales a pequeña escala y un estudio sobre semántica (sistema de información vehicular). Además, se está utilizando actualmente como Habilitador para desarrollar tanto experimentación como servicios reales en el proyecto Europeo SmartSantander (que aspira a integrar alrededor de 20.000 dispositivos IoT). v Abstract Internet of Things, as part of the Future Internet, has become one of the main research topics nowadays; in part thanks to the pressure the society is putting on the development of a particular kind of services (Smart metering, Smart Grids, eHealth, etc.), and by the recent business forecasts that situate some players, like Telecom Operators (which are desperately seeking for new opportunities), at the forefront pushing for some interrelated technologies like Machine--‐to--‐Machine (M2M) communications. Under this context, an important number of research activities are currently taking place worldwide at different levels: sensor network communications, information processing, big--‐ data storage, semantics, service level architectures, etc. All of them, isolated, are arriving to a level of maturity that envision the achievement of Internet of Things (IoT) more than a dream, a tangible goal. However, the aforementioned services cannot wait to be developed until the holistic research actions bring complete solutions. It is important to come out with intermediate results that avoid vertical solutions tailored for particular deployments. In the present work, we focus on the creation of a Service--‐level platform intended to facilitate, from one side the integration of heterogeneous and geographically disperse Sensors and Actuator Networks (SANs), and from the other the development of horizontal services using them and the information they provide. This enabler will be used for horizontal service development and for IoT experimentation. Prior to the definition of the platform, we have realized an important study targeting not just research works and projects, but also standardization topics. The results can be summarized in the following assertions: a) Open Geospatial Consortium (OGC®) Sensor Web Enablement (SWE™) data models today represent the most complete solution to describe SANs and observations. b) OGC interfaces, despite the limitations that require changes and extensions, could be used as the bases for accessing sensors and data. c) Next Generation Networks (NGN) offer a good substrate that facilitates the integration of SANs and the development of services. Consequently a new Service Layer platform, called Ubiquitous Sensor Networks (USN), has been defined in this Thesis trying to contribute to fill in the previous gaps. The main highlights of the proposed USN Platform are: a) From an architectural point of view, it follows a two--‐layer approach (Enabler and Gateway) similar to other enablers that run on top of NGN (like the OMA Presence). b) Data models and interfaces are based on the OGC SWE standards. c) It is integrated in NGN but it can be used without it over open IP infrastructures. d) Main functions are: Sensor Discovery, Observation Storage, Publish--‐Subscribe--‐Notify, homogeneous remote execution, security, data dictionaries handling, monitoring facilities, authorization support, protocol conversion utilities, synchronous and asynchronous interactions, streaming support and basic resource arbitration. vi In order to demonstrate the functionalities that the proposed USN Platform can offer to future IoT scenarios, some experimental results have been addressed in three real--‐life small--‐scale proofs--‐of concepts (Smart Metering, Smart Places and Environmental monitoring) and a study for semantics (in--‐vehicle information system). Furthermore we also present the current use of the proposed USN Platform as an Enabler to develop experimentation and real services in the SmartSantander EU project (that aims at integrating around 20.000 IoT devices).

VISIONS Vehicular communication Improvement : solution based on IMS Operational Nodes and Services

Digital services and communications in vehicular scenarios provide the essential assets to improve road transport in several ways like reducing accidents, improving traffic efficiency and optimizing the transport of goods and people. Vehicular communications typically rely on VANET (Vehicular Ad hoc Networks). In these networks vehicles communicate with each other without the need of infrastructure. VANET are mainly oriented to disseminate information to the vehicles in certain geographic area for time critical services like safety warnings but present very challenging requirements that have not been successfully fulfilled nowadays. Some of these challenges are; channel saturation due to simultaneous radio access of many vehicles, routing protocols in topologies that vary rapidly, minimum quality of service assurance and security mechanisms to efficiently detect and neutralize malicious attacks. Vehicular services can be classified in four important groups: Safety, Efficiency, Sustainability and Infotainment. The benefits of these services for the transport sector are clear but many technological and business challenges need to be faced before a real mass market deployment. Service delivery platforms are not prepared for fulfilling the needs of this complex environment with restrictive requirements due to the criticism of some services To overcome this situation, we propose a solution called VISIONS “Vehicular communication Improvement: Solution based on IMS Operational Nodes and Services”. VISIONS leverages on IMS subsystem and NGN enablers, and follows the CALM reference Architecture standardized by ISO. It also avoids the use of Road Side Units (RSUs), reducing complexity and high costs in terms of deployment and maintenance. We demonstrate the benefits in the following areas: 1. VANET networks efficiency. VISIONS provide a mechanism for the vehicles to access valuable information from IMS and its capabilities through a cellular channel. This efficiency improvement will occur in two relevant areas: a. Routing mechanisms. These protocols are responsible of carrying information from a vehicle to another (or a group of vehicles) using multihop mechanisms. We do not propose a new algorithm but the use of VANET topology information provided through our solution to enrich the performance of these protocols. b. Security. Many aspects of security (privacy, key, authentication, access control, revocation mechanisms, etc) are not resolved in vehicular communications. Our solution efficiently disseminates revocation information to neutralize malicious nodes in the VANET. 2. Service delivery platform. It is based on extended enablers, reference architectures, standard protocols and open APIs. By following this approach, we reduce costs and resources for service development, deployment and maintenance. To quantify these benefits in VANET networks, we provide an analytical model of the system and simulate our solution in realistic scenarios. The simulations results demonstrate how VISIONS improves the performance of relevant routing protocols and is more efficient neutralizing security attacks than the widely proposed solutions based on RSUs. Finally, we design an innovative Social Network service based in our platform, explaining how VISIONS facilitate the deployment and usage of complex capabilities. RESUMEN Los servicios digitales y comunicaciones en entornos vehiculares proporcionan herramientas esenciales para mejorar el transporte por carretera; reduciendo el número de accidentes, mejorando la eficiencia del tráfico y optimizando el transporte de mercancías y personas. Las comunicaciones vehiculares generalmente están basadas en redes VANET (Vehicular Ad hoc Networks). En dichas redes, los vehículos se comunican entre sí sin necesidad de infraestructura. Las redes VANET están principalmente orientadas a difundir información (por ejemplo advertencias de seguridad) a los vehículos en determinadas zonas geográficas, pero presentan unos requisitos muy exigentes que no se han resuelto con éxito hasta la fecha. Algunos de estos retos son; saturación del canal de acceso de radio debido al acceso simultáneo de múltiples vehículos, la eficiencia de protocolos de encaminamiento en topologías que varían rápidamente, la calidad de servicio (QoS) y los mecanismos de seguridad para detectar y neutralizar los ataques maliciosos de manera eficiente. Los servicios vehiculares pueden clasificarse en cuatro grupos: Seguridad, Eficiencia del tráfico, Sostenibilidad, e Infotainment (información y entretenimiento). Los beneficios de estos servicios para el sector son claros, pero es necesario resolver muchos desafíos tecnológicos y de negocio antes de una implementación real. Las actuales plataformas de despliegue de servicios no están preparadas para satisfacer las necesidades de este complejo entorno con requisitos muy restrictivos debido a la criticidad de algunas aplicaciones. Con el objetivo de mejorar esta situación, proponemos una solución llamada VISIONS “Vehicular communication Improvement: Solution based on IMS Operational Nodes and Services”. VISIONS se basa en el subsistema IMS, las capacidades NGN y es compatible con la arquitectura de referencia CALM estandarizado por ISO para sistemas de transporte. También evita el uso de elementos en las carreteras, conocidos como Road Side Units (RSU), reduciendo la complejidad y los altos costes de despliegue y mantenimiento. A lo largo de la tesis, demostramos los beneficios en las siguientes áreas: 1. Eficiencia en redes VANET. VISIONS proporciona un mecanismo para que los vehículos accedan a información valiosa proporcionada por IMS y sus capacidades a través de un canal de celular. Dicho mecanismo contribuye a la mejora de dos áreas importantes: a. Mecanismos de encaminamiento. Estos protocolos son responsables de llevar información de un vehículo a otro (o a un grupo de vehículos) utilizando múltiples saltos. No proponemos un nuevo algoritmo de encaminamiento, sino el uso de información topológica de la red VANET a través de nuestra solución para enriquecer el funcionamiento de los protocolos más relevantes. b. Seguridad. Muchos aspectos de la seguridad (privacidad, gestión de claves, autenticación, control de acceso, mecanismos de revocación, etc) no están resueltos en las comunicaciones vehiculares. Nuestra solución difunde de manera eficiente la información de revocación para neutralizar los nodos maliciosos en la red. 2. Plataforma de despliegue de servicios. Está basada en capacidades NGN, arquitecturas de referencia, protocolos estándar y APIs abiertos. Siguiendo este enfoque, reducimos costes y optimizamos procesos para el desarrollo, despliegue y mantenimiento de servicios vehiculares. Para cuantificar estos beneficios en las redes VANET, ofrecemos un modelo de analítico del sistema y simulamos nuestra solución en escenarios realistas. Los resultados de las simulaciones muestran cómo VISIONS mejora el rendimiento de los protocolos de encaminamiento relevantes y neutraliza los ataques a la seguridad de forma más eficientes que las soluciones basadas en RSU. Por último, diseñamos un innovador servicio de red social basado en nuestra plataforma, explicando cómo VISIONS facilita el despliegue y el uso de las capacidades NGN.