Wireless sensor networks in the future internet of things density, mobility, heterogeneity and integration
Marc Barceló · TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) · 2015
Las redes de sensores inalambricos estan destinadas a revolucionar nuestra manera de vivir, trabajar y relacionarnos con el entorno. Aunque este tipo de redes ha estado en el foco de la investigacion cientifica durante la ultima decada, su rendimiento en implementaciones practicas esta todavia muy por detras de los resultados teoricos. Esto es en gran parte debido a los problemas practicos que aparecen en entornos reales. Como resultado, su uso esta generalmente limitado a aplicaciones simples de monitorizacion del entorno. El objetivo de esta tesis es reducir el margen entre el potencial teorico y real de las redes de sensores inalambricos y de esta manera incrementar su integracion dentro de la sociedad. En concreto, la tesis se centra en los siguientes cuatro obstaculos: alta densidad de nodos, movilidad de nodos, trafico heterogeneo e integracion en el internet de las cosas. Primero, el objetivo es el de reducir las interferencias en despliegues de alta densidad de nodos. Para ello se propone un esquema practico para realizar el enrutado, el control de potencia y la seleccion de canal, basado en el protocolo RPL (Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks). Esta solucion permite reducir las colisiones entre paquetes y ademas mejorar el consumo energetico de este tipo de redes. Segundo, se pretende mejorar la baja fiabilidad y robustez de las redes de sensores inalambricos con nodos moviles. Con este objetivo se presenta un metodo que combina RPL con un sistema de enrutado que considera la posicion de los nodos basado en el filtro de Kalman. Este combina la eficiencia y fiabilidad de RPL permitiendo ademas manejar nodos moviles. Tercero, se estudian maneras de proporcionar la calidad de servicio necesaria a las redes de sensores con trafico heterogeneo. Para ello se propone una estrategia multi arbol basada en la construccion de multiples instancias RPL. Esta construye diferentes topologias virtuales para cada funcion objetivo, y de esta manera es posible atender los requisitos de cada flujo de trafico de manera independiente. Finalmente, se estudia la manera de integrar las redes de sensores inalambricos dentro de la nube y el internet de las cosas. Con este objetivo se propone una formulacion para coordinar la utilizacion de los recursos de la red de manera conjunta usando estrategias de virtualizacion y computacion movil en la nube. Esto permite reducir el consumo energetico de la red, teniendo en cuenta las capacidades y limitaciones de cada nodo, satisfaciendo tanto los requisitos de los diferentes servicios como los de los usuarios. Wireless sensor networks (WSNs) are expected to revolutionize the way we live, work, and interact with the physical environment. Although WSNs have been in the spotlight of the research community for the last decade, their performance in practical implementations is still far behind the theoretical results. This is mainly due to the practical issues that arise in real-life scenarios. As a result, WSNs are generally limited to simple environmental sensing applications. The aim of this thesis is to reduce the gap between the theoretical and real potential of WSNs, and therefore increase their integration in society. In particular, this thesis focuses on the following four practical obstacles: high node density, node mobility, traffic heterogeneity and integration with the future Internet of Things (IoT). First, we deal with the interference problem in high density sensor deployments. We address this issue proposing a pragmatic joint routing, transmission power control and channel allocation approach, built upon the well-known RPL (Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks). This reduces the average packet collisions and the energy consumption of WSNs. Second, we address the low communication reliability and robustness in WSNs with mobile nodes. In particular, we propose a solution that combines RPL with a position-based routing approach based on Kalman filtering. This provides the efficiency and reliability of RPL, and also includes mobility support for non-static nodes. Third, we study the problem of QoS (Quality of Service) provisioning in WSNs managing heterogeneous traffic. With this in mind, we propose a multi-tree approach based on the construction of multiple RPL Instances. This constructs multiple virtual topologies to address the particular requirements of each traffic flow individually. Finally, we focus on the efficient integration of wireless sensors with Cloud-based IoT platforms. In particular, we propose a formulation to orchestrate the resource utilization of the whole network, taking advantage of the recent advances in virtualization and mobile cloud computing. This optimizes the overall consumption, considering the capabilities and limitations of each node, while satisfying the service requirements and the individual users' demands.