Contribution to the publish/subscribe communication model for the development of ubiquitous services in wireless sensor networks

Abstract

Advances in wireless technologies and the rapid development of integrated electronics have made wireless sensor networks (WSN) one of the key technologies of the Internet of Things (IoT). Thanks to the ability of these networks to measure the physical phenomena of their environment, process and communicate this information using wireless technologies, they have excelled in the development of applications that respond or adapt to the context of a user, as is the case of ubiquitous environments such as smart cities, industrial automation, e-health among others. In addition, the IoT has opened the possibility that intelligent objects or devices are also capable of exchanging status information, conditions and capacity in order to interact with each other, in the same way that human beings have done through systems based on presence. These systems require information of an event in real time to react in a timely manner to the conditions or context of the user or device. These applications open new challenges in the management of WSN resources, since these networks operate in environments that are generally prone to packet loss and consist of generally small nodes with limited resources in memory, processing, bandwidth and power. The main objective of this thesis is the development of several mechanisms that allow the adaptation of the Publish/Subscribe protocols to the characteristics and limitations of the WSN for the provision of ubiquitous services in the context of the IoT. In addition, QoS support is supplied through mechanisms that provide reliability and timeliness in the delivery of packets and data aggregation techniques are applied to be efficient in the power consumption and the WSN bandwidth. Our research proposes an architecture to provide a presence service for WSN based on a Publish/ Subscribe model distributed and focused on mechanisms such as the aggregation of data and the publication of messages on demand to achieve energy efficiency and bandwidth. All these mechanisms have been applied in the design of a system called PASH aimed at home control based on the concept of Ambient Assisted Living (AAL). The reliability provided by Publish/Subscribe protocols in WSN is of great importance in the design of applications that require receiving a message to react on time or in real time to an event. Initially, we focused our study on increasing the proportion of packet delivery (PDR) in the destination node through the improvement of reliability mechanisms. We evaluated the reliability mechanism of the MQTT-SN protocol and several proposed mechanisms of the CoAP protocol. From this evaluation, we propose a new and simple adaptive retransmission mechanism to respond to packet loss in the most appropriate way. Finally, we consider that applications such as: e-health, critical infrastructure control and monitoring, among others, must meet different QoS requirements, such as reliability and timeliness for each type of message received. In addition, data aggregation techniques play an important role in WSN to reduce power consumption and bandwidth. In this thesis, we propose a mechanism that provides the application with three different levels of QoS: we provide an improvement of our previous relay mechanism for reliability, we include the data aggregation in our reliability mechanism and we provide a timeliness mechanism in the delivery of packets. Els avenços en les tecnologies sense fils i al ràpid desenvolupament de l'electrònica integrada, ha convertit les xarxes de sensors sense fils (WSN) en una de les tecnologies claus de l'Internet de les Coses (Iot). Gràcies a la capacitat que tenen aquestes xarxes de mesurar els fenòmens físics del seu entorn, processar i comunicar aquesta informació utilitzant tecnologies sense fils, s'han destacat en el desenvolupament d'aplicacions que responguin o s'adaptin al context d'un usuari, com és el cas dels entorns ubics com a ciutats intel·ligents, automatització industrial, salut electrònica entre d'altres. A més, el IOT ha obert la possibilitat que els objectes o dispositius intel·ligents també siguin capaços d'intercanviar informació d'estat, condicions i capacitat per tal d'interactuar entre si, de la mateixa manera que els éssers humans ho han fet a través de sistemes basats en presència. Aquests sistemes requereixen informació d'un esdeveniment en temps real per reaccionar de manera oportuna a les condicions o al context de l'usuari o dispositiu. Aquestes aplicacions obren nous desafiaments en l'administració dels recursos de WSN, ja que aquestes xarxes operen en entorns que generalment són propensos a la pèrdua de paquets i consten de nodes generalment petits amb recursos limitats en memòria, processament, ample de banda i alimentació. El principal objectiu d'aquesta tesi és el desenvolupament de diversos mecanismes que permetin l'adequació dels protocols d'Publish / Subscribe a les característiques i limitacions de la WSN per a la provisió de serveis ubics en el context de la IOT. A més, es brinda suport de QoS a través de mecanismes que proporcionen fiabilitat i puntualitat en el lliurament de paquets i s'apliquen tècniques d'agregació de dades per a ser eficients en el consum d'energia i l'ample de banda de la WSN. La nostra investigació proposa una arquitectura per a proporcionar un servei de presència per WSN basat en un model de Publish / Subscribe distribuït i centrat en mecanismes com ara l'agregació de dades i la publicació de missatges en demanda per aconseguir eficiència en l'energia i l'ample de banda . Tots aquests mecanismes han estat aplicats en el disseny d'un sistema anomenat Pash dirigit al control de la llar basat en el concepte de Vida Assistida (AAL). La fiabilitat proporcionada pels protocols de Publish / Subscribe WSN és de gran importància en el disseny d'aplicacions que requereixen rebre un missatge per reaccionar a temps o en temps real davant un esdeveniment. Inicialment enfoquem el nostre estudi en augmentar la proporció de lliurament de paquets (PDR) en el node de destinació a través de la millora dels mecanismes de fiabilitat. Avaluem el mecanisme de fiabilitat del protocol MQTT-SN i diversos mecanismes proposats del protocol COAP. A partir d'aquesta avaluació, proposem un nou i senzill mecanisme de retransmissió adaptable per respondre a la pèrdua de paquets de la manera més adequada. Finalment, considerem que les aplicacions com: salut electrònica, control d'infraestructura crítica i monitoratge, entre d'altres, han de complir diferents requisits de QoS, com la fiabilitat i la puntualitat per a cada tipus de missatge rebut. A més, les tècniques d'agregació de dades tenen un paper important en WSN per reduir el consum d'energia i l'ample de banda. En aquesta tesi, proposem un mecanisme que proporciona a la aplicació tres nivells de QoS diferents: proporcionem una millora del nostre mecanisme de retransmissió anterior per a la fiabilitat, incloem l'agregació de dades en el nostre mecanisme de fiabilitat i proporcionem un mecanisme de puntualitat en el lliurament de paquets.