Sharing Human-Generated Observations by Integrating HMI and the Semantic Sensor Web

Current “Internet of Things” concepts point to a future where connected objects gather meaningful information about their environment and share it with other objects and people. In particular, objects embedding Human Machine Interaction (HMI), such as mobile devices and, increasingly, connected vehicles, home appliances, urban interactive infrastructures, etc., may not only be conceived as sources of sensor information, but, through interaction with their users, they can also produce highly valuable context-aware human-generated observations. We believe that the great promise offered by combining and sharing all of the different sources of information available can be realized through the integration of HMI and Semantic Sensor Web technologies. This paper presents a technological framework that harmonizes two of the most influential HMI and Sensor Web initiatives: the W3C’s Multimodal Architecture and Interfaces (MMI) and the Open Geospatial Consortium (OGC) Sensor Web Enablement (SWE) with its semantic extension, respectively. Although the proposed framework is general enough to be applied in a variety of connected objects integrating HMI, a particular development is presented for a connected car scenario where drivers’ observations about the traffic or their environment are shared across the Semantic Sensor Web. For implementation and evaluation purposes an on-board OSGi (Open Services Gateway Initiative) architecture was built, integrating several available HMI, Sensor Web and Semantic Web technologies. A technical performance test and a conceptual validation of the scenario with potential users are reported, with results suggesting the approach is sound

On the efficiency of a dedicated LMA for multicast traffic distribution in PMIPv6 domains

IP multicast allows the efficient support of group communication services by reducing the number of IP flows needed for such communication. The increasing generalization in the use of multicast has also triggered the need for supporting IP multicast in mobile environments. Proxy Mobile IPv6 (PMIPv6) is a network-based mobility management solution, where the functionality to support the terminal movement resides in the network. Recently, a baseline solution has been adopted for multicast support in PMIPv6. Such base solution has inefficiencies in multicast routing because it may require multiple copies of a single stream to be received by the same access gateway. Nevertheless, there is an alternative solution to support multicast in PMIPv6 that avoids this issue. This paper evaluates by simulation the scalability of both solutions under realistic conditions, and provides an analysis of the sensitivity of the two proposals against a number of parameters.

Redes y servicios ubicuos para Internet de las Cosas en dispositivos llevables

En las últimas décadas se han producido importantes avances tecnológicos, lo que ha producido un crecimiento importante de las Redes Inalámbricas de Sensores (RIS), conocidas en inglés como Wireless Sensor Networks (WSN). Estas redes están formadas por un conjunto de pequeños nodos o también, conocidos como motas, compuestos por diversos tipos de sensores. Las Redes Inalámbricas de Sensores pueden resultar muy útiles en entornos donde el despliegue de redes cableadas, formadas por ordenadores, encaminadores u otros dispositivos de red no sea posible. Sin embargo, este tipo de redes presentan una serie de carencias o problemas que dificultan, en ocasiones, su implementación y despliegue. Este Proyecto Fin de Carrera tiene como principales objetivos: diseñar e implementar un agente que haga uso de la tecnología Bluetooth para que se pueda comunicar tanto con la arquitectura orientada a servicios, vía radio, como con el módulo Bioharness para obtener parámetros fisiológicos; ofrecer una serie de servicios simples a la Red Inalámbrica de Sensores; diseñar un algoritmo para un sistema de alarmas; realizar e implementar una pasarela entre protocolos que usen el estándar IEEE802.15.4 (ZigBee) y el estándar IEEE802.15.1 de la Tecnología Bluetooth. Por último, implementar una aplicación Android para el reloj WiMM y que este pueda recibir alarmas en tiempo real a través del la Interfaz Bluetooth. Para lograr estos objetivos, en primer lugar realizaremos un estudio del Estado del Arte de las Redes Inalámbricas de Sensores, con el fin de estudiar su arquitectura, el estándar Bluetooth y los dispositivos Bluetooth que se han utilizado en este Proyecto. Seguidamente, describiremos detalladamente el firmware iWRAP versión 4, centrándonos en sus modos de operación, comandos AT y posibles errores que puedan ocurrir. A continuación, se describirá la arquitectura y la especificación nSOM, para adentrarnos en la arquitectura orientada a servicios. Por último, ejecutaremos la fase de validación del sistema y se analizarán los resultados obtenidos durante la fase de pruebas. ABSTRACT In last decades there have been significant advances in technology, which has resulted in important growth of Wireless Sensor Networks (WSN). These networks consist of a small set of nodes, also known as spots; equipped with various types of sensors. Wireless Sensor Networks can be very useful in environments where deployment of wired networks, formed by computers, routers or other network devices is not possible. However, these networks have a number of shortcomings or challenges to, sometimes, their implementation and deployment. The main objectives of this Final Project are to design and implement an agent that makes use of Bluetooth technology so you can communicate with both the service-oriented architecture, via radio, as with Bioharness module for physiological parameters; offer simple services to Wireless Sensor Network, designing an algorithm for an alarm system, make and implement a gateway between protocols using the standard IEEE802.15.4 (ZigBee) and IEEE802.15.1 standard Bluetooth Technology. Finally, implement an Android application for WiMM watch that can receive real-time alerts through the Bluetooth interface. In order to achieve these objectives, firstly we are going to carry out a study of the State of the Art in Wireless Sensor Network, where we study the architecture, the Bluetooth standard and Bluetooth devices that have been used in this project. Then, we will describe in detail the iWRAP firmware version 4, focusing on their operation modes, AT commands and errors that may occur. Therefore, we will describe the architecture and specification nSOM, to enter into the service-oriented architecture. Finally, we will execute the phase of validation of the system in a real application scenario, analyzing the results obtained during the testing phase.

Distributed collaborative processing in wireless sensor networks with application to target localization and beamforming

Abstract The proliferation of wireless sensor networks and the variety of envisioned applications associated with them has motivated the development of distributed algorithms for collaborative processing over networked systems. One of the applications that has attracted the attention of the researchers is that of target localization where the nodes of the network try to estimate the position of an unknown target that lies within its coverage area. Particularly challenging is the problem of estimating the target’s position when we use received signal strength indicator (RSSI) due to the nonlinear relationship between the measured signal and the true position of the target. Many of the existing approaches suffer either from high computational complexity (e.g., particle filters) or lack of accuracy. Further, many of the proposed solutions are centralized which make their application to a sensor network questionable. Depending on the application at hand and, from a practical perspective it could be convenient to find a balance between localization accuracy and complexity. Into this direction we approach the maximum likelihood location estimation problem by solving a suboptimal (and more tractable) problem. One of the main advantages of the proposed scheme is that it allows for a decentralized implementation using distributed processing tools (e.g., consensus and convex optimization) and therefore, it is very suitable to be implemented in real sensor networks. If further accuracy is needed an additional refinement step could be performed around the found solution. Under the assumption of independent noise among the nodes such local search can be done in a fully distributed way using a distributed version of the Gauss-Newton method based on consensus. Regardless of the underlying application or function of the sensor network it is al¬ways necessary to have a mechanism for data reporting. While some approaches use a special kind of nodes (called sink nodes) for data harvesting and forwarding to the outside world, there are however some scenarios where such an approach is impractical or even impossible to deploy. Further, such sink nodes become a bottleneck in terms of traffic flow and power consumption. To overcome these issues instead of using sink nodes for data reporting one could use collaborative beamforming techniques to forward directly the generated data to a base station or gateway to the outside world. In a dis-tributed environment like a sensor network nodes cooperate in order to form a virtual antenna array that can exploit the benefits of multi-antenna communications. In col-laborative beamforming nodes synchronize their phases in order to add constructively at the receiver. Some of the inconveniences associated with collaborative beamforming techniques is that there is no control over the radiation pattern since it is treated as a random quantity. This may cause interference to other coexisting systems and fast bat-tery depletion at the nodes. Since energy-efficiency is a major design issue we consider the development of a distributed collaborative beamforming scheme that maximizes the network lifetime while meeting some quality of service (QoS) requirement at the re¬ceiver side. Using local information about battery status and channel conditions we find distributed algorithms that converge to the optimal centralized beamformer. While in the first part we consider only battery depletion due to communications beamforming, we extend the model to account for more realistic scenarios by the introduction of an additional random energy consumption. It is shown how the new problem generalizes the original one and under which conditions it is easily solvable. By formulating the problem under the energy-efficiency perspective the network’s lifetime is significantly improved. Resumen La proliferación de las redes inalámbricas de sensores junto con la gran variedad de posi¬bles aplicaciones relacionadas, han motivado el desarrollo de herramientas y algoritmos necesarios para el procesado cooperativo en sistemas distribuidos. Una de las aplicaciones que suscitado mayor interés entre la comunidad científica es la de localization, donde el conjunto de nodos de la red intenta estimar la posición de un blanco localizado dentro de su área de cobertura. El problema de la localization es especialmente desafiante cuando se usan niveles de energía de la seal recibida (RSSI por sus siglas en inglés) como medida para la localization. El principal inconveniente reside en el hecho que el nivel de señal recibida no sigue una relación lineal con la posición del blanco. Muchas de las soluciones actuales al problema de localization usando RSSI se basan en complejos esquemas centralizados como filtros de partículas, mientas que en otras se basan en esquemas mucho más simples pero con menor precisión. Además, en muchos casos las estrategias son centralizadas lo que resulta poco prácticos para su implementación en redes de sensores. Desde un punto de vista práctico y de implementation, es conveniente, para ciertos escenarios y aplicaciones, el desarrollo de alternativas que ofrezcan un compromiso entre complejidad y precisión. En esta línea, en lugar de abordar directamente el problema de la estimación de la posición del blanco bajo el criterio de máxima verosimilitud, proponemos usar una formulación subóptima del problema más manejable analíticamente y que ofrece la ventaja de permitir en¬contrar la solución al problema de localization de una forma totalmente distribuida, convirtiéndola así en una solución atractiva dentro del contexto de redes inalámbricas de sensores. Para ello, se usan herramientas de procesado distribuido como los algorit¬mos de consenso y de optimización convexa en sistemas distribuidos. Para aplicaciones donde se requiera de un mayor grado de precisión se propone una estrategia que con¬siste en la optimización local de la función de verosimilitud entorno a la estimación inicialmente obtenida. Esta optimización se puede realizar de forma descentralizada usando una versión basada en consenso del método de Gauss-Newton siempre y cuando asumamos independencia de los ruidos de medida en los diferentes nodos. Independientemente de la aplicación subyacente de la red de sensores, es necesario tener un mecanismo que permita recopilar los datos provenientes de la red de sensores. Una forma de hacerlo es mediante el uso de uno o varios nodos especiales, llamados nodos “sumidero”, (sink en inglés) que actúen como centros recolectores de información y que estarán equipados con hardware adicional que les permita la interacción con el exterior de la red. La principal desventaja de esta estrategia es que dichos nodos se convierten en cuellos de botella en cuanto a tráfico y capacidad de cálculo. Como alter¬nativa se pueden usar técnicas cooperativas de conformación de haz (beamforming en inglés) de manera que el conjunto de la red puede verse como un único sistema virtual de múltiples antenas y, por tanto, que exploten los beneficios que ofrecen las comu¬nicaciones con múltiples antenas. Para ello, los distintos nodos de la red sincronizan sus transmisiones de manera que se produce una interferencia constructiva en el recep¬tor. No obstante, las actuales técnicas se basan en resultados promedios y asintóticos, cuando el número de nodos es muy grande. Para una configuración específica se pierde el control sobre el diagrama de radiación causando posibles interferencias sobre sis¬temas coexistentes o gastando más potencia de la requerida. La eficiencia energética es una cuestión capital en las redes inalámbricas de sensores ya que los nodos están equipados con baterías. Es por tanto muy importante preservar la batería evitando cambios innecesarios y el consecuente aumento de costes. Bajo estas consideraciones, se propone un esquema de conformación de haz que maximice el tiempo de vida útil de la red, entendiendo como tal el máximo tiempo que la red puede estar operativa garantizando unos requisitos de calidad de servicio (QoS por sus siglas en inglés) que permitan una decodificación fiable de la señal recibida en la estación base. Se proponen además algoritmos distribuidos que convergen a la solución centralizada. Inicialmente se considera que la única causa de consumo energético se debe a las comunicaciones con la estación base. Este modelo de consumo energético es modificado para tener en cuenta otras formas de consumo de energía derivadas de procesos inherentes al funcionamiento de la red como la adquisición y procesado de datos, las comunicaciones locales entre nodos, etc. Dicho consumo adicional de energía se modela como una variable aleatoria en cada nodo. Se cambia por tanto, a un escenario probabilístico que generaliza el caso determinista y se proporcionan condiciones bajo las cuales el problema se puede resolver de forma eficiente. Se demuestra que el tiempo de vida de la red mejora de forma significativa usando el criterio propuesto de eficiencia energética.

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).

Sistemas de provisionamiento para abonados de telefonía móvil

Este documento trata de la instalación del sistema de provisión de abonados “Provisioning Gateway” (PG) para el proyecto Machine to Machine (M2M) de Ericsson, una tecnología que permite definir los abonados o dispositivos serán usados en las comunicaciones máquina a máquina. El proyecto ha sido realizado en Ericsson para una compañía de telefonía de España. Se hablará de la evolución que han sufrido las redes de comunicaciones en los últimos años y las aplicaciones que surgen a partir de ellas. Se hará especial hincapié en la tecnología de red más utilizada hoy en día, el 3G, y en su sucesora, el 4G, detallando las novedades que incorpora. Después se describirá el trabajo realizado por el ingeniero de Ericsson durante la instalación del PG (Provisioning Gateway), un nodo de la red a través del cual la compañía telefónica da de alta a los abonados, modifica sus parámetros o los elimina de la base de datos. Se explicarán las distintas fases de las que se compone la instalación, tanto la parte hardware como la parte software y por último las pruebas de verificación con el cliente. Por último se darán algunas conclusiones sobre el trabajo realizado y los conocimientos adquiridos. ABSTRACT This document describes the installation of Provisioning Gateway system (PG) for Machine to Machine (M2M) project in Ericsson, which is a technology that allows companies to define the subscribers that will be used of machine to Machine communications. This project has been developed in Ericsson for a Spanish telecommunication company. The evolution of telecommunication networks is going to be introduced, describing al the services developed in parallel. 3G technology will be describer in a deeper way because it is the most used technology nowadays and 4G because it represents the future in telecommunications. Después se describirá el trabajo realizado por el ingeniero de Ericsson durante la instalación del PG (Provisioning Gateway), un nodo de la red a través del cuál la compañía telefónica da de alta a los abonados, modifica sus parámetros o los elimina de la base de datos. Se explicarán las distintas fases de las que se compone la instalación, tanto la parte hardware como la parte software y por último las pruebas de verificación con el cliente. Furthermore, this document shows the installation process of PG system made by the Ericsson´s engineer. Telecommunication companies use PG for creating, defining and deleting subscribers from the database. The different steps of the installation procedure will be described among this document, talking about hardware and software installation and the final acceptant test. Finally, some conclusions about the work done and experience learned will be exposed.

Integración de baterías en sistemas fotovoltaicos conectados a red

La situación actual del mercado energético en España y el imparable aumento de las tasas por parte de las eléctricas, está fomentando la búsqueda de fuentes de energía alternativas que permitan a la población poder abastecerse de electricidad, sin tener que pagar unos costes tan elevados. Para cubrir esta necesidad, la energía fotovoltaica y sobretodo el autoconsumo con inyección a red o balance neto, está adquiriendo cada vez más importancia dentro del mundo energético. Pero la penetración de esta tecnología en la Red Eléctrica Española tiene un freno, la desconfianza por parte del operador de la red, ya que la fotovoltaica es una fuente de energía intermitente, que puede introducir inestabilidades en el sistema en caso de alta penetración. Por ello se necesita ganar la confianza de las eléctricas, haciendo que sea una energía predecible, que aporte potencia a la red eléctrica cuando se le pida y que opere participando en la regulación de la frecuencia del sistema eléctrico. Para tal fin, el grupo de investigación de Sistemas Fotovoltaicos, perteneciente al IES de la UPM, está llevando a cabo un proyecto de investigación denominado PV CROPS, financiado por la Comisión Europea, y que tiene por objetivo desarrollar estas estrategias de gestión. En este contexto, el objetivo de este Proyecto Fin de Carrera consiste en implementar un Banco de Ensayos con Integración de Baterías en Sistemas FV Conectados a Red, que permita desarrollar, ensayar y validar estas estrategias. Aprovechando la disponibilidad para usar el Hogar Digital, instalado en la EUITT de la UPM, hemos montado el banco de ensayos en un laboratorio contiguo, y así, poder utilizar este Hogar como un caso real de consumos energéticos de una vivienda. Este banco de ensayos permitirá obtener información de la energía generada por la instalación fotovoltaica y del consumo real de la "casa" anexa, para desarrollar posteriormente estrategias de gestión de la electricidad. El Banco de Ensayos está compuesto por tres bloques principales, interconectados entre sí:  Subsistema de Captación de Datos y Comunicación. Encargado de monitorizar los elementos energéticos y de enviar la información recopilada al Subsistema de Control. Formado por analizadores de red eléctrica, monofásicos y de continua, y una pasarela orientada a la conversión del medio físico Ethernet a RS485.  Subsistema de Control. Punto de observación y recopilación de toda la información que proviene de los elementos energéticos. Es el subsistema donde se crearán y se implementarán estrategias de control energético. Compuesto por un equipo Pxie, controlador empotrado en un chasis de gama industrial, y un equipo PC Host, compuesto por una workstation y tres monitores.  Subsistema de Energía. Formado por los elementos que generan, controlan o consumen energía eléctrica, en el Banco de Ensayos. Constituido por una pérgola FV, un inversor, un inversor bidireccional y un bloque de baterías. El último paso ha sido llevar a cabo un Ejemplo de Aplicación Práctica, con el que hemos probado que el Banco de Ensayos está listo para usarse, es operativo y completamente funcional en operaciones de monitorización de generación energética fotovoltaica y consumo energético. ABSTRACT. The current situation of the energetic market in Spain and the unstoppable increase of the tax on the part of the electrical companies, is promoting the search of alternative sources of energy that allow to the population being able to be supplied of electricity, without having to pay so high costs. To meet this need, the photovoltaic power and above all the self-consumption with injection to network, it is increasingly important inside the energetic world. It allows to the individual not only to pay less for the electricity, in addition it allows to obtain benefits for the energy generated in his own home. But the penetration of this technology in the Electrical Spanish Network has an obstacle, the distrust on the part of the operator of the electrical network, due to the photovoltaic is an intermittent source of energy, which can introduce instabilities in the system in case of high penetration. Therefore it´s necessary to reach the confidence of the electricity companies, making it a predictable energy, which provides with power to the electrical network whenever necessary and that operates taking part in the regulation of the frequency of the electric system. For such an end, the group of system investigation Photovoltaic, belonging to the IES of the UPM, there is carrying out a project of investigation named PV CROPS, financed by the European Commission, and that has for aim to develop these strategies of management. In this context, the objective of this Senior Thesis consists in implementing a Bank of Tests with Integration of Batteries in Photovoltaic Systems Connected to Network, which allows developing, testing and validating these strategies. Taking advantage of the availability to use the Digital Home installed in the EUITT of the UPM, we have mounted the bank of tests in a contiguous laboratory to use this Home as a real case of energetic consumptions of a house. This bank of tests will allow obtaining information of the energy generated by the photovoltaic installation and information of the royal consumption of the attached "house", to develop later strategies of management of the electricity. The Bank of Tests is composed by three principal blocks, interconnected each other:  Subsystem of Gathering of data and Communication. In charge of monitoring the energetic elements and sending the information compiled to the Subsystem of Control. Formed by power analyzers, AC and DC, and a gateway for the conversion of the Ethernet physical medium to RS485.  Subsystem of Control. Point of observation and compilation of all the information that comes from the energetic elements. It is the subsystem where there will be created and there will be implemented strategies of energetic control. Composed of a Pxie, controller fixed in an industrial range chassis, and a PC Host, formed by a workstation and three monitors.  Subsystem of Energy. Formed by the elements of generating, controlling or consuming electric power, in the Bank of Tests. Made of photovoltaic modules, an inverter, a twoway inverter and a batteries block. The last step has been performing an Example of Practical Application we have proved that the Bank of Tests is ready to be used, it´s operative and fully functional in monitoring operations of energetic photovoltaic generation and energetic consumption.

Estudio de redes WSN y su aplicación a la ingeniería civil

Las redes inalámbricas están experimentando un gran crecimiento en el campo de la instrumentación electrónica. En concreto las redes de sensores inalámbricas (WSN de Wireless Sensor Network) suponen la opción más ventajosa para su empleo en la instrumentación electrónica ya que sus principales características se acoplan perfectamente a las necesidades. Las WSN permiten la utilización de un número relativamente alto de nodos, están orientadas a sistemas de bajo consumo y funcionamiento con baterías y poseen un ancho de banda adecuado para las necesidades de la instrumentación electrónica. En este proyecto fin de carrera se ha realizado un estudio de las tecnologías inalámbricas disponibles, se han comparado y se ha elegido la tecnología ZigBeeTM por considerarse la más adecuada y la que más se ajusta a las necesidades descritas. En el desarrollo de mi vida profesional se han conectado dos campos teóricamente distantes como son la instrumentación electrónica y la ingeniería civil. En este proyecto se hace una descripción de la instrumentación que se utiliza para controlar estructuras como presas, túneles y puentes y se proponen casos prácticos en los que las redes WSN aportan valor añadido a instrumentación actual y a los sistemas de comunicaciones utilizados. Se definen tanto los sistemas de comunicaciones utilizados actualmente como una serie de sensores utilizados para medir los principales parámetros a controlar en una obra civil. Por último se ha desarrollado una aplicación de prueba de una red ZigBeeTM basada en equipos comerciales del fabricante Digi. consiste en una aplicación desarrollada en entorno web que maneja de forma remota, a través de Internet, las entradas y salidas digitales y analógicas de los nodos que forman la red. Se forma una red ZigBeeTM con un coordinador, un router y un dispositivo final. El Coordinador está integrado en un Gateway que permite acceder a la red ZigBeeTM a través de internet y conocer el estado de los nodos que forman la red. Con los comandos adecuados se puede leer el estado de las entradas y salidas analógicas y digitales y cambiar el estado de una salida digital. ABSTRACT. Wireless networks are experiencing tremendous growth in the field of electronic instrumentation. In particular wireless sensor networks represent the most advantageous for use in electronic instrumentation since its main characteristics fit perfectly to the needs. The WSN allow the use of a relatively large number of nodes, are aimed at low-power systems and battery operation and have an adequate bandwidth for the needs of electronic instrumentation. In this project has made a study of available wireless technologies have been compared and chosen ZigBeeTM technology was considered the most appropriate to the needs described. In the course of my professional life have connected two fields are theoretically distant as electronic instrumentation and civil engineering. In this project, there is a description of the instrumentation used to control structures such as dams, tunnels and bridges and proposes practical cases in which WSN networks add value to current instrumentation and communications systems used. There are defined as communications systems now being used as a set of sensors used to measure the main parameters to be controlled in a civil structure. Finally, I have developed a test application based ZigBeeTM networking equipment maker Digi trading. It consists of a Web-based application developed to manage remotely, via the Internet, the digital and analog inputs and outputs nodes forming the network. ZigBeeTM It forms a network with a coordinator, router and end device. The Coordinator is built into a gateway that allows access to the ZigBeeTM network through internet and know the status of the nodes forming the network. With the appropriate command can read the status of the digital inputs and outputs and change the state of a digital output.

Virtualización de dispositivos para servicios en la Ciudad del Futuro

El aumento de las capacidades de interconexión de dispositivos de todo tipo está suponiendo una revolución en el campo de la prestación de servicios, tanto en la cantidad como en la variedad. Esta evolución ha puesto de manifiesto la necesidad de abordar un desarrollo tecnológico sin precedentes, donde la previsión de dispositivos interconectados e interoperando entre sí y con las personas alcanza cifras del orden de los millardos. Esta idea de un mundo de cosas interconectadas ha dado lugar a una visión que se ha dado en llamar Internet de las Cosas. Un mundo donde las cosas de cualquier tipo pueden interactuar con otras cosas, incluyendo las que forman parte de redes con recurso limitados. Y esto además conduce a la creación de servicios compuestos que superan a la suma de las partes. Además de la relevancia tecnológica, esta nueva visión enlaza con la de la Ciudad del Futuro. Un concepto que recurre a la convergencia de la energía, el transporte y las tecnologías de la información y las comunicaciones para definir una forma mediante la que lograr el crecimiento sostenible y competitivo, mejorando así la calidad de vida y abriendo el gobierno de las ciudades a la participación ciudadana. En la línea de desarrollo que permite avanzar hacia la consecución de tales objetivos, este Proyecto Fin de Carrera propone una forma de virtualizar los servicios ofrecidos por la diversidad de dispositivos que van adquiriendo la capacidad de interoperar en una red. Para ello se apoya en el uso de una capa de intermediación orientada a servicios, nSOM, desarrollada en la EUITT. Sobre esta arquitectura se proponen como objetivos el diseño y desarrollo de una pasarela de servicios que haga accesibles desde la web los recursos ofrecidos en una red de sensores; el diseño y desarrollo de un registro de dispositivos y servicios en concordancia a la propuesta de arquitectura de referencia para Internet de las Cosas; y el estudio y diseño de un marco para la composición de servicios orquestados en redes de recursos limitados. Para alcanzar estos objetivos primero se abordará un estudio del estado del arte donde se profundizará en el conocimiento de la las tecnologías para la interoperatividad entre cosas, abordando los principios de las redes inalámbricas de sensores y actuadores, las arquitecturas para las comunicaciones Máquina a Máquina e Internet de las Cosas, y la visión de la Web de las Cosas. Seguidamente se tratarán las tecnologías de red y de servicios de interés, para finalizar con un breve repaso a las tecnologías para la composición de servicios. Le seguirá una descripción detallada de la arquitectura nSOM y del diseño propuesto para este proyecto. Finalmente se propondrá un escenario sobre el que se llevarán a cabo diferentes pruebas de validación. ABSTRACT. The increasing of the capabilities of all kind of devices is causing a revolution in the field of the provision of services, both in quantity and in diversity. This situation has highlighted the need to address unprecedented technological development, where the forecast of interconnected and interoperable devices between them and human beings reaches the order of billions. And these numbers go further when the connectivity of constrained networks is taken into account. This idea of an interconnected world of things has led to a vision that has been called "The Internet of Things". It’s a vision of a world where things of any kind can interact with other things, even those in the domain of a constrained network. This also leads to the creation of new composed services that exceed the sum of the parts. Besides the technological interest, this new vision relates with the one from the Smart City. A concept that uses the convergence of the energy, the transport, and the information and communication technologies to define a way to achieve sustainable and competitive growth, improving the quality of life, and opening the governance of the cities to the participation. In the development pathway to reach these goals, this Final Degree Dissertation proposes a way for the virtualization of the services offered by the variety of devices that are reaching the ability to interoperate in a network. For this it is supported by a service oriented middleware called nSOM that has been developed at EUITT. Using this architecture the goals proposed for this project are the design and development of a service gateway that makes available the resources of a sensor network through a web interface; the design and development of a Device & Service Registry according to the reference architecture proposal for the Internet of Things; and the study and design of a composition framework for orchestrated services in constrained networks. To achieve these goals this dissertation begins with a State of the Art study where the background knowledge about the technologies in use for the interoperation of things will be settled. At first it starts talking about Wireless Sensor and Actuator Networks, the architectures for Machine-to-Machine communication and Internet of Things, and also the concepts for the Web of Things vision. Next the related network and services technologies are explored, ending with a brief review of service composition technologies. Then will follow a detailed description of the nSOM architecture, and also of the proposed design for this project. Finally a scenario will be proposed where a series of validation tests will be conducted.

Sistema de autenticación accesible para el hogar digital

El Hogar Digital Accesible (HDA) de la ETSIST nace con el propósito de acercar las nuevas Tecnologías de la Información a las personas que precisan de necesidades concretas de accesibilidad y usabilidad, dotándoles de herramientas que les permitan aumentar su calidad de vida, confort, seguridad y autonomía. El entorno del HDA consta de elementos de control para puertas, persianas, iluminación, agua o gas, sensores de temperatura, incendios, gas, sistemas de climatización, sistemas de entretenimiento y sistemas de seguridad tales como detectores de presencia y alarmas. Todo ello apoyado sobre una arquitectura de red que proporciona una pasarela residencial y un acceso a banda ancha. El objetivo principal de este PFG ha sido el desarrollo de un sistema de autenticación para el Hogar Digital Accesible de bajo coste. La idea de integrar un sistema de autenticación en el HDA, surge de la necesidad de proteger de accesos no deseados determinados servicios disponibles dentro de un ámbito privado. Algunos de estos servicios pueden ser tales como el acceso a la lectura de los mensajes disponibles en el contestador automático, el uso de equipos multimedia, la desconexión de alarmas de seguridad o simplemente la configuración de ambientes según el usuario que esté autenticado (intensidad de luz, temperatura de la sala, etc.). En el desarrollo han primado los principios de accesibilidad, usabilidad y seguridad necesarios para la creación de un entorno no invasivo, que permitiera acreditar la identidad del usuario frente al sistema HDA. Se ha planteado como posible solución, un sistema basado en el reconocimiento de un trazo realizado por el usuario. Este trazo se usará como clave de cara a validar a los usuarios. El usuario deberá repetir el trazado que registró en el sistema para autenticarse. Durante la ejecución del presente PFG, se justificará la elección de este mecanismo de autenticación frente a otras alternativas disponibles en el mercado. Para probar la aplicación, se ha podido contar con dos periféricos de distintas gamas, el uDraw creado para la PS3 que se compone de una tableta digitalizadora y un lápiz que permite recoger los trazos realizados por el usuario de forma inalámbrica y la tableta digitalizadora Bamboo de Wacom. La herramienta desarrollada permite a su vez, la posibilidad de ser usada por otro tipo de dispositivos como es el caso del reloj con acelerómetro de 3 ejes de Texas Instruments Chronos eZ430 capaz de trasladar los movimientos del usuario al puntero de un ratón. El PFG se encuentra dividido en tres grandes bloques de flujo de trabajo. El primero se centra en el análisis del sistema y las tecnologías que lo componen, incluyendo los distintos algoritmos disponibles para realizar la autenticación basada en reconocimiento de patrones aplicados a imágenes que mejor se adaptan a las necesidades del usuario. En el segundo bloque se recoge una versión de prueba basada en el análisis y el diseño UML realizado previamente, sobre la que se efectuaron pruebas de concepto y se comprobó la viabilidad del proyecto. El último bloque incluye la verificación y validación del sistema mediante pruebas que certifican que se han alcanzado los niveles de calidad necesarios para la consecución de los objetivos planteados, generando finalmente la documentación necesaria. Como resultado del trabajo realizado, se ha obtenido un sistema que plantea una arquitectura fácilmente ampliable lograda a través del uso de técnicas como la introspección, que permiten separar la lógica de la capa de negocio del código que la implementa, pudiendo de forma simple e intuitiva sustituir código mediante ficheros de configuración, lo que hace que el sistema sea flexible y escalable. Tras la realización del PFG, se puede concluir que el producto final obtenido ha respondido de forma satisfactoria alcanzando los niveles de calidad requeridos, siendo capaz de proporcionar un sistema de autenticación alternativo a los convencionales, manteniendo unas cotas de seguridad elevadas y haciendo de la accesibilidad y el precio sus características más reseñables. ABSTRACT. Accessible Digital Home (HDA) of the ETSIST was created with the aim of bringing the latest information and communications technologies closer to the people who has special needs of accessibility and usability increasing their quality of life, comfort, security and autonomy. The HDA environment has different control elements for doors, blinds, lighting, water or gas, temperature sensors, fire protection systems, gas flashover, air conditioning systems, entertainments systems and security systems such as intruders detectors and alarms. Everything supported by an architecture net which provides a broadband residential services gateway. The main goal of this PFG was the development of a low-cost authentication system for the Accessible Digital Home. The idea of integrating an authentication system on the HDA, stems from the need to safeguard certain private key network resources from unauthorized access. Some of said resources are the access to the answering machine messages, the use of multimedia devices, the alarms deactivation or the parameter settings for each environment as programmed by the authenticated user (light intensity, room temperature, etc.). During the development priority was given to concepts like accessibility, usability and security. All of them necessary to create a non invasive environment that allows the users to certify their identity. A system based on stroke pattern recognition, was considered as a possible solution. This stroke is used as a key to validate users. The user must repeat the stroke that was saved on the system to validate access. The selection of this authentication mechanism among the others available options will be justified during this PFG. Two peripherals with different ranges were used to test the application. One of them was uDraw design for the PS3. It is wireless and is formed by a pen and a drawing tablet that allow us to register the different strokes drawn by the user. The other one was the Wacom Bamboo tablet, that supports the same functionality but with better accuracy. The developed tool allows another kind of peripherals like the 3-axes accelerometer digital wristwatch Texas Instruments Chronos eZ430 capable of transfering user movements to the mouse cursor. The PFG is divided by three big blocks that represent different workflows. The first block is focused on the system analysis and the technologies related to it, including algorithms for image pattern recognition that fits the user's needs. The second block describes how the beta version was developed based on the UML analysis and design previously done. It was tested and the viability of the project was verified. The last block contains the system verification and validation. These processes certify that the requirements have been fulfilled as well as the quality levels needed to reach the planned goals. Finally all the documentation has been produced. As a result of the work, an expandable system has been created, due to the introspection that provides the opportunity to separate the business logic from the code that implements it. With this technique, the code could be replaced throughout configuration files which makes the system flexible and highly scalable. Once the PFG has finished, it must therefore be concluded that the final product has been a success and high levels of quality have been achieved. This authentication tool gives us a low-cost alternative to the conventional ones. The new authentication system remains security levels reasonably high giving particular emphasis to the accessibility and the price.

Parameter-based mechanism for unifying user interaction, applications and communication protocols

In the smart building control industry, creating a platform to integrate different communication protocols and ease the interaction between users and devices is becoming increasingly important. BATMP is a platform designed to achieve this goal. In this paper, the authors describe a novel mechanism for information exchange, which introduces a new concept, Parameter, and uses it as the common object among all the BATMP components: Gateway Manager, Technology Manager, Application Manager, Model Manager and Data Warehouse. Parameter is an object which represents a physical magnitude and contains the information about its presentation, available actions, access type, etc. Each component of BATMP has a copy of the parameters. In the Technology Manager, three drivers for different communication protocols, KNX, CoAP and Modbus, are implemented to convert devices into parameters. In the Gateway Manager, users can control the parameters directly or by defining a scenario. In the Application Manager, the applications can subscribe to parameters and decide the values of parameters by negotiating. Finally, a Negotiator is implemented in the Model Manager to notify other components about the changes taking place in any component. By applying this mechanism, BATMP ensures the simultaneous and concurrent communication among users, applications and devices.

Contributions to the Resilience Management in the Internet of Things

El auge del "Internet de las Cosas" (IoT, "Internet of Things") y sus tecnologías asociadas han permitido su aplicación en diversos dominios de la aplicación, entre los que se encuentran la monitorización de ecosistemas forestales, la gestión de catástrofes y emergencias, la domótica, la automatización industrial, los servicios para ciudades inteligentes, la eficiencia energética de edificios, la detección de intrusos, la gestión de desastres y emergencias o la monitorización de señales corporales, entre muchas otras. La desventaja de una red IoT es que una vez desplegada, ésta queda desatendida, es decir queda sujeta, entre otras cosas, a condiciones climáticas cambiantes y expuestas a catástrofes naturales, fallos de software o hardware, o ataques maliciosos de terceros, por lo que se puede considerar que dichas redes son propensas a fallos. El principal requisito de los nodos constituyentes de una red IoT es que estos deben ser capaces de seguir funcionando a pesar de sufrir errores en el propio sistema. La capacidad de la red para recuperarse ante fallos internos y externos inesperados es lo que se conoce actualmente como "Resiliencia" de la red. Por tanto, a la hora de diseñar y desplegar aplicaciones o servicios para IoT, se espera que la red sea tolerante a fallos, que sea auto-configurable, auto-adaptable, auto-optimizable con respecto a nuevas condiciones que puedan aparecer durante su ejecución. Esto lleva al análisis de un problema fundamental en el estudio de las redes IoT, el problema de la "Conectividad". Se dice que una red está conectada si todo par de nodos en la red son capaces de encontrar al menos un camino de comunicación entre ambos. Sin embargo, la red puede desconectarse debido a varias razones, como que se agote la batería, que un nodo sea destruido, etc. Por tanto, se hace necesario gestionar la resiliencia de la red con el objeto de mantener la conectividad entre sus nodos, de tal manera que cada nodo IoT sea capaz de proveer servicios continuos, a otros nodos, a otras redes o, a otros servicios y aplicaciones. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el estudio del problema de conectividad IoT, más concretamente en el desarrollo de modelos para el análisis y gestión de la Resiliencia, llevado a la práctica a través de las redes WSN, con el fin de mejorar la capacidad la tolerancia a fallos de los nodos que componen la red. Este reto se aborda teniendo en cuenta dos enfoques distintos, por una parte, a diferencia de otro tipo de redes de dispositivos convencionales, los nodos en una red IoT son propensos a perder la conexión, debido a que se despliegan en entornos aislados, o en entornos con condiciones extremas; por otra parte, los nodos suelen ser recursos con bajas capacidades en términos de procesamiento, almacenamiento y batería, entre otros, por lo que requiere que el diseño de la gestión de su resiliencia sea ligero, distribuido y energéticamente eficiente. En este sentido, esta tesis desarrolla técnicas auto-adaptativas que permiten a una red IoT, desde la perspectiva del control de su topología, ser resiliente ante fallos en sus nodos. Para ello, se utilizan técnicas basadas en lógica difusa y técnicas de control proporcional, integral y derivativa (PID - "proportional-integral-derivative"), con el objeto de mejorar la conectividad de la red, teniendo en cuenta que el consumo de energía debe preservarse tanto como sea posible. De igual manera, se ha tenido en cuenta que el algoritmo de control debe ser distribuido debido a que, en general, los enfoques centralizados no suelen ser factibles a despliegues a gran escala. El presente trabajo de tesis implica varios retos que conciernen a la conectividad de red, entre los que se incluyen: la creación y el análisis de modelos matemáticos que describan la red, una propuesta de sistema de control auto-adaptativo en respuesta a fallos en los nodos, la optimización de los parámetros del sistema de control, la validación mediante una implementación siguiendo un enfoque de ingeniería del software y finalmente la evaluación en una aplicación real. Atendiendo a los retos anteriormente mencionados, el presente trabajo justifica, mediante una análisis matemático, la relación existente entre el "grado de un nodo" (definido como el número de nodos en la vecindad del nodo en cuestión) y la conectividad de la red, y prueba la eficacia de varios tipos de controladores que permiten ajustar la potencia de trasmisión de los nodos de red en respuesta a eventuales fallos, teniendo en cuenta el consumo de energía como parte de los objetivos de control. Así mismo, este trabajo realiza una evaluación y comparación con otros algoritmos representativos; en donde se demuestra que el enfoque desarrollado es más tolerante a fallos aleatorios en los nodos de la red, así como en su eficiencia energética. Adicionalmente, el uso de algoritmos bioinspirados ha permitido la optimización de los parámetros de control de redes dinámicas de gran tamaño. Con respecto a la implementación en un sistema real, se han integrado las propuestas de esta tesis en un modelo de programación OSGi ("Open Services Gateway Initiative") con el objeto de crear un middleware auto-adaptativo que mejore la gestión de la resiliencia, especialmente la reconfiguración en tiempo de ejecución de componentes software cuando se ha producido un fallo. Como conclusión, los resultados de esta tesis doctoral contribuyen a la investigación teórica y, a la aplicación práctica del control resiliente de la topología en redes distribuidas de gran tamaño. Los diseños y algoritmos presentados pueden ser vistos como una prueba novedosa de algunas técnicas para la próxima era de IoT. A continuación, se enuncian de forma resumida las principales contribuciones de esta tesis: (1) Se han analizado matemáticamente propiedades relacionadas con la conectividad de la red. Se estudia, por ejemplo, cómo varía la probabilidad de conexión de la red al modificar el alcance de comunicación de los nodos, así como cuál es el mínimo número de nodos que hay que añadir al sistema desconectado para su re-conexión. (2) Se han propuesto sistemas de control basados en lógica difusa para alcanzar el grado de los nodos deseado, manteniendo la conectividad completa de la red. Se han evaluado diferentes tipos de controladores basados en lógica difusa mediante simulaciones, y los resultados se han comparado con otros algoritmos representativos. (3) Se ha investigado más a fondo, dando un enfoque más simple y aplicable, el sistema de control de doble bucle, y sus parámetros de control se han optimizado empleando algoritmos heurísticos como el método de la entropía cruzada (CE, "Cross Entropy"), la optimización por enjambre de partículas (PSO, "Particle Swarm Optimization"), y la evolución diferencial (DE, "Differential Evolution"). (4) Se han evaluado mediante simulación, la mayoría de los diseños aquí presentados; además, parte de los trabajos se han implementado y validado en una aplicación real combinando técnicas de software auto-adaptativo, como por ejemplo las de una arquitectura orientada a servicios (SOA, "Service-Oriented Architecture"). ABSTRACT The advent of the Internet of Things (IoT) enables a tremendous number of applications, such as forest monitoring, disaster management, home automation, factory automation, smart city, etc. However, various kinds of unexpected disturbances may cause node failure in the IoT, for example battery depletion, software/hardware malfunction issues and malicious attacks. So, it can be considered that the IoT is prone to failure. The ability of the network to recover from unexpected internal and external failures is known as "resilience" of the network. Resilience usually serves as an important non-functional requirement when designing IoT, which can further be broken down into "self-*" properties, such as self-adaptive, self-healing, self-configuring, self-optimization, etc. One of the consequences that node failure brings to the IoT is that some nodes may be disconnected from others, such that they are not capable of providing continuous services for other nodes, networks, and applications. In this sense, the main objective of this dissertation focuses on the IoT connectivity problem. A network is regarded as connected if any pair of different nodes can communicate with each other either directly or via a limited number of intermediate nodes. More specifically, this thesis focuses on the development of models for analysis and management of resilience, implemented through the Wireless Sensor Networks (WSNs), which is a challenging task. On the one hand, unlike other conventional network devices, nodes in the IoT are more likely to be disconnected from each other due to their deployment in a hostile or isolated environment. On the other hand, nodes are resource-constrained in terms of limited processing capability, storage and battery capacity, which requires that the design of the resilience management for IoT has to be lightweight, distributed and energy-efficient. In this context, the thesis presents self-adaptive techniques for IoT, with the aim of making the IoT resilient against node failures from the network topology control point of view. The fuzzy-logic and proportional-integral-derivative (PID) control techniques are leveraged to improve the network connectivity of the IoT in response to node failures, meanwhile taking into consideration that energy consumption must be preserved as much as possible. The control algorithm itself is designed to be distributed, because the centralized approaches are usually not feasible in large scale IoT deployments. The thesis involves various aspects concerning network connectivity, including: creation and analysis of mathematical models describing the network, proposing self-adaptive control systems in response to node failures, control system parameter optimization, implementation using the software engineering approach, and evaluation in a real application. This thesis also justifies the relations between the "node degree" (the number of neighbor(s) of a node) and network connectivity through mathematic analysis, and proves the effectiveness of various types of controllers that can adjust power transmission of the IoT nodes in response to node failures. The controllers also take into consideration the energy consumption as part of the control goals. The evaluation is performed and comparison is made with other representative algorithms. The simulation results show that the proposals in this thesis can tolerate more random node failures and save more energy when compared with those representative algorithms. Additionally, the simulations demonstrate that the use of the bio-inspired algorithms allows optimizing the parameters of the controller. With respect to the implementation in a real system, the programming model called OSGi (Open Service Gateway Initiative) is integrated with the proposals in order to create a self-adaptive middleware, especially reconfiguring the software components at runtime when failures occur. The outcomes of this thesis contribute to theoretic research and practical applications of resilient topology control for large and distributed networks. The presented controller designs and optimization algorithms can be viewed as novel trials of the control and optimization techniques for the coming era of the IoT. The contributions of this thesis can be summarized as follows: (1) Mathematically, the fault-tolerant probability of a large-scale stochastic network is analyzed. It is studied how the probability of network connectivity depends on the communication range of the nodes, and what is the minimum number of neighbors to be added for network re-connection. (2) A fuzzy-logic control system is proposed, which obtains the desired node degree and in turn maintains the network connectivity when it is subject to node failures. There are different types of fuzzy-logic controllers evaluated by simulations, and the results demonstrate the improvement of fault-tolerant capability as compared to some other representative algorithms. (3) A simpler but more applicable approach, the two-loop control system is further investigated, and its control parameters are optimized by using some heuristic algorithms such as Cross Entropy (CE), Particle Swarm Optimization (PSO), and Differential Evolution (DE). (4) Most of the designs are evaluated by means of simulations, but part of the proposals are implemented and tested in a real-world application by combining the self-adaptive software technique and the control algorithms which are presented in this thesis.

Contribution to the improvement of communication services in nanosatellite constellations using delay and disruption tolerant networking based architectures

Esta tesis se desarrolla dentro del marco de las comunicaciones satelitales en el innovador campo de los pequeños satélites también llamados nanosatélites o cubesats, llamados así por su forma cubica. Estos nanosatélites se caracterizan por su bajo costo debido a que usan componentes comerciales llamados COTS (commercial off-the-shelf) y su pequeño tamaño como los Cubesats 1U (10cm*10 cm*10 cm) con masa aproximada a 1 kg. Este trabajo de tesis tiene como base una iniciativa propuesta por el autor de la tesis para poner en órbita el primer satélite peruano en mi país llamado chasqui I, actualmente puesto en órbita desde la Estación Espacial Internacional. La experiencia de este trabajo de investigación me llevo a proponer una constelación de pequeños satélites llamada Waposat para dar servicio de monitoreo de sensores de calidad de agua a nivel global, escenario que es usado en esta tesis. Es ente entorno y dadas las características limitadas de los pequeños satélites, tanto en potencia como en velocidad de datos, es que propongo investigar una nueva arquitectura de comunicaciones que permita resolver en forma óptima la problemática planteada por los nanosatélites en órbita LEO debido a su carácter disruptivo en sus comunicaciones poniendo énfasis en las capas de enlace y aplicación. Esta tesis presenta y evalúa una nueva arquitectura de comunicaciones para proveer servicio a una red de sensores terrestres usando una solución basada en DTN (Delay/Disruption Tolerant Networking) para comunicaciones espaciales. Adicionalmente, propongo un nuevo protocolo de acceso múltiple que usa una extensión del protocolo ALOHA no ranurado, el cual toma en cuenta la prioridad del trafico del Gateway (ALOHAGP) con un mecanismo de contienda adaptativo. Utiliza la realimentación del satélite para implementar el control de la congestión y adapta dinámicamente el rendimiento efectivo del canal de una manera óptima. Asumimos un modelo de población de sensores finito y una condición de tráfico saturado en el que cada sensor tiene siempre tramas que transmitir. El desempeño de la red se evaluó en términos de rendimiento efectivo, retardo y la equidad del sistema. Además, se ha definido una capa de convergencia DTN (ALOHAGP-CL) como un subconjunto del estándar TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergency Layer). Esta tesis muestra que ALOHAGP/CL soporta adecuadamente el escenario DTN propuesto, sobre todo cuando se utiliza la fragmentación reactiva. Finalmente, esta tesis investiga una transferencia óptima de mensajes DTN (Bundles) utilizando estrategias de fragmentación proactivas para dar servicio a una red de sensores terrestres utilizando un enlace de comunicaciones satelitales que utiliza el mecanismo de acceso múltiple con prioridad en el tráfico de enlace descendente (ALOHAGP). El rendimiento efectivo ha sido optimizado mediante la adaptación de los parámetros del protocolo como una función del número actual de los sensores activos recibidos desde el satélite. También, actualmente no existe un método para advertir o negociar el tamaño máximo de un “bundle” que puede ser aceptado por un agente DTN “bundle” en las comunicaciones por satélite tanto para el almacenamiento y la entrega, por lo que los “bundles” que son demasiado grandes son eliminados o demasiado pequeños son ineficientes. He caracterizado este tipo de escenario obteniendo una distribución de probabilidad de la llegada de tramas al nanosatélite así como una distribución de probabilidad del tiempo de visibilidad del nanosatélite, los cuales proveen una fragmentación proactiva óptima de los DTN “bundles”. He encontrado que el rendimiento efectivo (goodput) de la fragmentación proactiva alcanza un valor ligeramente inferior al de la fragmentación reactiva. Esta contribución permite utilizar la fragmentación activa de forma óptima con todas sus ventajas tales como permitir implantar el modelo de seguridad de DTN y la simplicidad al implementarlo en equipos con muchas limitaciones de CPU y memoria. La implementación de estas contribuciones se han contemplado inicialmente como parte de la carga útil del nanosatélite QBito, que forma parte de la constelación de 50 nanosatélites que se está llevando a cabo dentro del proyecto QB50. ABSTRACT This thesis is developed within the framework of satellite communications in the innovative field of small satellites also known as nanosatellites (<10 kg) or CubeSats, so called from their cubic form. These nanosatellites are characterized by their low cost because they use commercial components called COTS (commercial off-the-shelf), and their small size and mass, such as 1U Cubesats (10cm * 10cm * 10cm) with approximately 1 kg mass. This thesis is based on a proposal made by the author of the thesis to put into orbit the first Peruvian satellite in his country called Chasqui I, which was successfully launched into orbit from the International Space Station in 2014. The experience of this research work led me to propose a constellation of small satellites named Waposat to provide water quality monitoring sensors worldwide, scenario that is used in this thesis. In this scenario and given the limited features of nanosatellites, both power and data rate, I propose to investigate a new communications architecture that allows solving in an optimal manner the problems of nanosatellites in orbit LEO due to the disruptive nature of their communications by putting emphasis on the link and application layers. This thesis presents and evaluates a new communications architecture to provide services to terrestrial sensor networks using a space Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN) based solution. In addition, I propose a new multiple access mechanism protocol based on extended unslotted ALOHA that takes into account the priority of gateway traffic, which we call ALOHA multiple access with gateway priority (ALOHAGP) with an adaptive contention mechanism. It uses satellite feedback to implement the congestion control, and to dynamically adapt the channel effective throughput in an optimal way. We assume a finite sensor population model and a saturated traffic condition where every sensor always has frames to transmit. The performance was evaluated in terms of effective throughput, delay and system fairness. In addition, a DTN convergence layer (ALOHAGP-CL) has been defined as a subset of the standard TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergence Layer). This thesis reveals that ALOHAGP/CL adequately supports the proposed DTN scenario, mainly when reactive fragmentation is used. Finally, this thesis investigates an optimal DTN message (bundles) transfer using proactive fragmentation strategies to give service to a ground sensor network using a nanosatellite communications link which uses a multi-access mechanism with priority in downlink traffic (ALOHAGP). The effective throughput has been optimized by adapting the protocol parameters as a function of the current number of active sensors received from satellite. Also, there is currently no method for advertising or negotiating the maximum size of a bundle which can be accepted by a bundle agent in satellite communications for storage and delivery, so that bundles which are too large can be dropped or which are too small are inefficient. We have characterized this kind of scenario obtaining a probability distribution for frame arrivals to nanosatellite and visibility time distribution that provide an optimal proactive fragmentation of DTN bundles. We have found that the proactive effective throughput (goodput) reaches a value slightly lower than reactive fragmentation approach. This contribution allows to use the proactive fragmentation optimally with all its advantages such as the incorporation of the security model of DTN and simplicity in protocol implementation for computers with many CPU and memory limitations. The implementation of these contributions was initially contemplated as part of the payload of the nanosatellite QBito, which is part of the constellation of 50 nanosatellites envisaged under the QB50 project.