Communications with QoS in IoT&Cloud environment

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Telecomunicações e Informática

Plataforma per a la simulació de xarxes de sensors

Aquest projecte descriu una plataforma de simulació per a xarxes de sensors des de la perspectiva dels sistemes multi-agents. La plataforma s'ha dissenyat per facilitar la simulació de diferents aplicacions concretes de xarxes de sensors. A més, s'ha entregat com a artefacte del projecte IEA (Institucions Electròniques Autònomes, TIN2006-15662-C02-0) de l'IIIACSIC. Dins l'entorn de l'IEA, aquesta és l'eina que aporta les capacitats de simulació per donar suport al disseny d'algorismes adaptatius per a xarxes de sensors.

TinyDomus

TinyDomus es un proyecto desarrollado para el TFC Sistemas Empotrados. Utiliza la plataforma TinyOS para gestionar una red inalámbrica de sensores (motas COU), que nos permitirán monitorizar ciertos aspectos físicos (picos magnéticos), y ambientales (temperatura y luminosidad). La funcionalidad de TinyDomus es la de simular un hogar domótico. Para ello dispone de una aplicación de escritorio con la que podemos visualizar la información de los sensores de las motas, controlar el funcionamiento del sistema y solicitar información a la red de sensores.

Integration of Bridge Damage Detection Concepts and Components (3 volumes), TR-636, 2013

This work is divided into three volumes: Volume I: Strain-Based Damage Detection; Volume II: Acceleration-Based Damage Detection; Volume III: Wireless Bridge Monitoring Hardware. Volume I: In this work, a previously-developed structural health monitoring (SHM) system was advanced toward a ready-for-implementation system. Improvements were made with respect to automated data reduction/analysis, data acquisition hardware, sensor types, and communication network architecture. The statistical damage-detection tool, control-chart-based damage-detection methodologies, were further investigated and advanced. For the validation of the damage-detection approaches, strain data were obtained from a sacrificial specimen attached to the previously-utilized US 30 Bridge over the South Skunk River (in Ames, Iowa), which had simulated damage,. To provide for an enhanced ability to detect changes in the behavior of the structural system, various control chart rules were evaluated. False indications and true indications were studied to compare the damage detection ability in regard to each methodology and each control chart rule. An autonomous software program called Bridge Engineering Center Assessment Software (BECAS) was developed to control all aspects of the damage detection processes. BECAS requires no user intervention after initial configuration and training. Volume II: In this work, a previously developed structural health monitoring (SHM) system was advanced toward a ready-for-implementation system. Improvements were made with respect to automated data reduction/analysis, data acquisition hardware, sensor types, and communication network architecture. The objective of this part of the project was to validate/integrate a vibration-based damage-detection algorithm with the strain-based methodology formulated by the Iowa State University Bridge Engineering Center. This report volume (Volume II) presents the use of vibration-based damage-detection approaches as local methods to quantify damage at critical areas in structures. Acceleration data were collected and analyzed to evaluate the relationships between sensors and with changes in environmental conditions. A sacrificial specimen was investigated to verify the damage-detection capabilities and this volume presents a transmissibility concept and damage-detection algorithm that show potential to sense local changes in the dynamic stiffness between points across a joint of a real structure. The validation and integration of the vibration-based and strain-based damage-detection methodologies will add significant value to Iowa’s current and future bridge maintenance, planning, and management Volume III: In this work, a previously developed structural health monitoring (SHM) system was advanced toward a ready-for-implementation system. Improvements were made with respect to automated data reduction/analysis, data acquisition hardware, sensor types, and communication network architecture. This report volume (Volume III) summarizes the energy harvesting techniques and prototype development for a bridge monitoring system that uses wireless sensors. The wireless sensor nodes are used to collect strain measurements at critical locations on a bridge. The bridge monitoring hardware system consists of a base station and multiple self-powered wireless sensor nodes. The base station is responsible for the synchronization of data sampling on all nodes and data aggregation. Each wireless sensor node include a sensing element, a processing and wireless communication module, and an energy harvesting module. The hardware prototype for a wireless bridge monitoring system was developed and tested on the US 30 Bridge over the South Skunk River in Ames, Iowa. The functions and performance of the developed system, including strain data, energy harvesting capacity, and wireless transmission quality, were studied and are covered in this volume.

Kernel-based Mapping of Meteorological Fields in Complex Orography

Due to the advances in sensor networks and remote sensing technologies, the acquisition and storage rates of meteorological and climatological data increases every day and ask for novel and efficient processing algorithms. A fundamental problem of data analysis and modeling is the spatial prediction of meteorological variables in complex orography, which serves among others to extended climatological analyses, for the assimilation of data into numerical weather prediction models, for preparing inputs to hydrological models and for real time monitoring and short-term forecasting of weather.In this thesis, a new framework for spatial estimation is proposed by taking advantage of a class of algorithms emerging from the statistical learning theory. Nonparametric kernel-based methods for nonlinear data classification, regression and target detection, known as support vector machines (SVM), are adapted for mapping of meteorological variables in complex orography.With the advent of high resolution digital elevation models, the field of spatial prediction met new horizons. In fact, by exploiting image processing tools along with physical heuristics, an incredible number of terrain features which account for the topographic conditions at multiple spatial scales can be extracted. Such features are highly relevant for the mapping of meteorological variables because they control a considerable part of the spatial variability of meteorological fields in the complex Alpine orography. For instance, patterns of orographic rainfall, wind speed and cold air pools are known to be correlated with particular terrain forms, e.g. convex/concave surfaces and upwind sides of mountain slopes.Kernel-based methods are employed to learn the nonlinear statistical dependence which links the multidimensional space of geographical and topographic explanatory variables to the variable of interest, that is the wind speed as measured at the weather stations or the occurrence of orographic rainfall patterns as extracted from sequences of radar images. Compared to low dimensional models integrating only the geographical coordinates, the proposed framework opens a way to regionalize meteorological variables which are multidimensional in nature and rarely show spatial auto-correlation in the original space making the use of classical geostatistics tangled.The challenges which are explored during the thesis are manifolds. First, the complexity of models is optimized to impose appropriate smoothness properties and reduce the impact of noisy measurements. Secondly, a multiple kernel extension of SVM is considered to select the multiscale features which explain most of the spatial variability of wind speed. Then, SVM target detection methods are implemented to describe the orographic conditions which cause persistent and stationary rainfall patterns. Finally, the optimal splitting of the data is studied to estimate realistic performances and confidence intervals characterizing the uncertainty of predictions.The resulting maps of average wind speeds find applications within renewable resources assessment and opens a route to decrease the temporal scale of analysis to meet hydrological requirements. Furthermore, the maps depicting the susceptibility to orographic rainfall enhancement can be used to improve current radar-based quantitative precipitation estimation and forecasting systems and to generate stochastic ensembles of precipitation fields conditioned upon the orography.

Estación meteorológica móvil con posicionamiento GPS

Desarrollo de una plataforma que permite la medición de parámetros climáticos ambientales característicos de una estación meteorológica tales como presión atmosférica, temperatura, luminosidad, precipitación y viento. Ésta tiene capacidad de poder integrarse y/o anexionarse para su uso a distintos tipos de sensores por cualquiera de las plataformas de comunicación que incorpora: bluetooth, Wi-Fi (IEE 802.11), bus I2C, o Ethernet. Igualmente, tiene la posibilidad de movilidad con indicación del posicionamiento por GPS y de aplicación adicional para uso en control domótico.

ZigBee/ZigBee PRO security assessment based on compromised cryptographic keys

Sensor networks have many applications in monitoring and controlling of environmental properties such as sound, acceleration, vibration and temperature. Due to limitedresources in computation capability, memory and energy, they are vulnerable to many kinds of attacks. The ZigBee specification based on the 802.15.4 standard, defines a set of layers specifically suited to sensor networks. These layers support secure messaging using symmetric cryptographic. This paper presents two different ways for grabbing the cryptographic key in ZigBee: remote attack and physical attack. It also surveys and categorizes some additional attacks which can be performed on ZigBee networks: eavesdropping, spoofing, replay and DoS attacks at different layers. From this analysis, it is shown that some vulnerabilities still in the existing security schema in ZigBee technology.

Kaukokäyttöliittymä liikkuvalle robotille

Lappeenrannan teknillinen yliopiston Tietotekniikan osaston Tietojenkäsittelytieteen laitoksen tutkimuskäytössä olevaan liikkuvaan robottiin toteutettiin tässä työssä graafinen kaukokäyttöliittymä. Työlle on motivaationa laajennettavuus, jota olemassaoleva suljetun lähdekoodin käyttöliittymä ei pysty tarjoamaan. Työssä olennaisin on olio-ohjelmointitekniikalla toteutettu robotin datamallin, ja sen graafisen esityksen arkkitehtuurillinen erottaminen. Lisäksi tarkastellaan lyhyesti liikkuvien robottien kaukokäyttöliittymien teoriaa, ja WLAN-tekniikan soveltuvuutta robotin ja käyttöliittymän välisen yhteyden toteuttamiseen.

Authentication and authorization service for a community network

Wireless community networks became popular in uniting people with common interests. This thesis presents authentication and authorization service for a wireless community network using captive portal approach including ability to authenticate clients from associated networks thereby combining multiple communities in a syndicate. The system is designed and implemented to be reliable, scalable and flexible. Moreover, the result includes software management system, which automatically performs software updates at network’s access points. Future development of the system can be concentrated on an improvement of the software management system.

Estudi i implementació pràctica d'una xarxa Wifi Mesh

En el projecte ens centrarem en el funcionament de les Xarxes mallades sense fils, es fa una breu explicació de les xarxes Ad-hoc, ja que aquestes formen un part important dintre d’una xarxa Mesh. S’explicaran diversos protocols d’enrutament com ara BATMAN, AODV, 802.11s i OLSR. Aquest últim és el que utilitzarem per a la configuració de la xarxa que realitzarem. S’explicarà el tipus de paquets que s’envien entre els nodes perquè el funcionament de la xarxa sigui òptim i tots els clients puguin tenir-hi accés i estiguin connectats entre ells. Al finalitzar l’estudi teòric d’aquest tipus de xarxa i veure les seves avantatges i desavantatges respecte altres tipus de xarxes sense fils, es muntaran dos petites xarxa. Per a muntar-les utilitzarem de Punts d’Accés els nodes Ubuquiti Nanoestation LocoM2. Una de les xarxes serà al poble Bellcaire d’Urgell, on és connectaran tres cases, on només una te accés a Internet i els nodes estaran connectats en línia, es a dir, del Node1 – Node2 – Node3. La segona serà a una casa de Barcelona on mitjançant els tres nodes obtindrem una connexió d’Internet a tota la casa, en aquest cas els tres nodes estaran connectats els tres formant un cercle, es a dir, Node1-Node2-Node3-Node1. Finalment, és mirarà una proposta de futur, on es parlaria amb l’Ajuntament del poble on s’ha fet la primera proba per realitzar una Xarxa mallada sense fils a tots els llocs públics del poble.

Conception des réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Généralement, les problèmes de conception de réseaux consistent à sélectionner les arcs et les sommets d’un graphe G de sorte que la fonction coût est optimisée et l’ensemble de contraintes impliquant les liens et les sommets dans G sont respectées. Une modification dans le critère d’optimisation et/ou dans l’ensemble de contraintes mène à une nouvelle représentation d’un problème différent. Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de conception d’infrastructure de réseaux maillés sans fil (WMN- Wireless Mesh Network en Anglais) où nous montrons que la conception de tels réseaux se transforme d’un problème d’optimisation standard (la fonction coût est optimisée) à un problème d’optimisation à plusieurs objectifs, pour tenir en compte de nombreux aspects, souvent contradictoires, mais néanmoins incontournables dans la réalité. Cette thèse, composée de trois volets, propose de nouveaux modèles et algorithmes pour la conception de WMNs où rien n’est connu à l’ avance. Le premiervolet est consacré à l’optimisation simultanée de deux objectifs équitablement importants : le coût et la performance du réseau en termes de débit. Trois modèles bi-objectifs qui se différent principalement par l’approche utilisée pour maximiser la performance du réseau sont proposés, résolus et comparés. Le deuxième volet traite le problème de placement de passerelles vu son impact sur la performance et l’extensibilité du réseau. La notion de contraintes de sauts (hop constraints) est introduite dans la conception du réseau pour limiter le délai de transmission. Un nouvel algorithme basé sur une approche de groupage est proposé afin de trouver les positions stratégiques des passerelles qui favorisent l’extensibilité du réseau et augmentent sa performance sans augmenter considérablement le coût total de son installation. Le dernier volet adresse le problème de fiabilité du réseau dans la présence de pannes simples. Prévoir l’installation des composants redondants lors de la phase de conception peut garantir des communications fiables, mais au détriment du coût et de la performance du réseau. Un nouvel algorithme, basé sur l’approche théorique de décomposition en oreilles afin d’installer le minimum nombre de routeurs additionnels pour tolérer les pannes simples, est développé. Afin de résoudre les modèles proposés pour des réseaux de taille réelle, un algorithme évolutionnaire (méta-heuristique), inspiré de la nature, est développé. Finalement, les méthodes et modèles proposés on été évalués par des simulations empiriques et d’événements discrets.

Gestion adaptative des ressources dans les réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Depuis quelques années, la recherche dans le domaine des réseaux maillés sans fil ("Wireless Mesh Network (WMN)" en anglais) suscite un grand intérêt auprès de la communauté des chercheurs en télécommunications. Ceci est dû aux nombreux avantages que la technologie WMN offre, telles que l'installation facile et peu coûteuse, la connectivité fiable et l'interopérabilité flexible avec d'autres réseaux existants (réseaux Wi-Fi, réseaux WiMax, réseaux cellulaires, réseaux de capteurs, etc.). Cependant, plusieurs problèmes restent encore à résoudre comme le passage à l'échelle, la sécurité, la qualité de service (QdS), la gestion des ressources, etc. Ces problèmes persistent pour les WMNs, d'autant plus que le nombre des utilisateurs va en se multipliant. Il faut donc penser à améliorer les protocoles existants ou à en concevoir de nouveaux. L'objectif de notre recherche est de résoudre certaines des limitations rencontrées à l'heure actuelle dans les WMNs et d'améliorer la QdS des applications multimédia temps-réel (par exemple, la voix). Le travail de recherche de cette thèse sera divisé essentiellement en trois principaux volets: le contrôle d‟admission du trafic, la différentiation du trafic et la réaffectation adaptative des canaux lors de la présence du trafic en relève ("handoff" en anglais). Dans le premier volet, nous proposons un mécanisme distribué de contrôle d'admission se basant sur le concept des cliques (une clique correspond à un sous-ensemble de liens logiques qui interfèrent les uns avec les autres) dans un réseau à multiples-sauts, multiples-radios et multiples-canaux, appelé RCAC. Nous proposons en particulier un modèle analytique qui calcule le ratio approprié d'admission du trafic et qui garantit une probabilité de perte de paquets dans le réseau n'excédant pas un seuil prédéfini. Le mécanisme RCAC permet d‟assurer la QdS requise pour les flux entrants, sans dégrader la QdS des flux existants. Il permet aussi d‟assurer la QdS en termes de longueur du délai de bout en bout pour les divers flux. Le deuxième volet traite de la différentiation de services dans le protocole IEEE 802.11s afin de permettre une meilleure QdS, notamment pour les applications avec des contraintes temporelles (par exemple, voix, visioconférence). À cet égard, nous proposons un mécanisme d'ajustement de tranches de temps ("time-slots"), selon la classe de service, ED-MDA (Enhanced Differentiated-Mesh Deterministic Access), combiné à un algorithme efficace de contrôle d'admission EAC (Efficient Admission Control), afin de permettre une utilisation élevée et efficace des ressources. Le mécanisme EAC prend en compte le trafic en relève et lui attribue une priorité supérieure par rapport au nouveau trafic pour minimiser les interruptions de communications en cours. Dans le troisième volet, nous nous intéressons à minimiser le surcoût et le délai de re-routage des utilisateurs mobiles et/ou des applications multimédia en réaffectant les canaux dans les WMNs à Multiples-Radios (MR-WMNs). En premier lieu, nous proposons un modèle d'optimisation qui maximise le débit, améliore l'équité entre utilisateurs et minimise le surcoût dû à la relève des appels. Ce modèle a été résolu par le logiciel CPLEX pour un nombre limité de noeuds. En second lieu, nous élaborons des heuristiques/méta-heuristiques centralisées pour permettre de résoudre ce modèle pour des réseaux de taille réelle. Finalement, nous proposons un algorithme pour réaffecter en temps-réel et de façon prudente les canaux aux interfaces. Cet algorithme a pour objectif de minimiser le surcoût et le délai du re-routage spécialement du trafic dynamique généré par les appels en relève. Ensuite, ce mécanisme est amélioré en prenant en compte l‟équilibrage de la charge entre cliques.

Métriques de routage dans les réseaux maillés sans fil

Ces dernières années, les technologies sans fil ont connu un essor fulgurant. Elles ont permis la mise en place de réseaux sans fil à hautes performances. Les réseaux maillées sans fil (RMSF) sont une nouvelle génération de réseaux sans fil qui offrent des débits élevés par rapport aux réseaux Wi-Fi (Wireless Fidelity) classiques et aux réseaux ad-hoc. Ils présentent de nombreux avantages telles que leur forte tolérance aux pannes, leur robustesse, leur faible coût etc. Les routeurs des RMSF peuvent disposer de plusieurs interfaces radio et chaque interface peut opérer sur plusieurs canaux distincts, c’est des RMSF multiples-radios, multiples-canaux. Ce type de réseau peut accroître de manière considérable les performances des RMSF. Cependant plusieurs problèmes subsistent et doivent être résolus notamment celui du routage. Le routage dans les RMSF demeure un défi majeur. Le but des protocoles de routage est de trouver les meilleures routes i.e. des routes qui maximisent les débits et minimisent les délais, lors de l’acheminement du trafic. La qualité des routes dans les RMSF peut être fortement affectée par les interférences, les collisions, les congestions etc. Alors les protocoles doivent être en mesure de détecter ces problèmes pour pouvoir en tenir compte lors de la sélection des routes. Plusieurs études ont été dédiées aux métriques et aux protocoles de routage dans les RMSF afin de maximiser les performances de celles ci. Mais la plupart ne prennent pas en considération toutes les contraintes telles que les interférences, le problème des stations cachées etc. Ce mémoire propose une nouvelle métrique de routage pour RMSF. Nous avons mis en place une nouvelle métrique de routage pour RMSF appelée MBP (Metric Based on Probabilities). Cette métrique est destinée aux RMSF mono-radio ou multiples-radios. Elle permet d’éviter les routes à forte ii interférence. Les résultats des simulations ont montré que MBP présente des améliorations par rapport à certaines métriques : ETT, WCETT et iAWARE qui sont connues dans le domaine.