A multi-technology network for environmental data gathering through opportunistic communication

Abstract

O conceito de Smart City surge da combinação do paradigma de Internet of Things (IoT) sobre contextos urbanos aliado à exploração de soluções de Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC). O típico cenário de Smart City tem de lidar com desafios, tais como as elevadas quantidades de sensores e geradores de dados, dos quais alguns são colocados em dispositivos de grande mobilidade, visando a recolha e geração de todo o tipo de informações e levando ao aumento do número de dispositivos comunicantes. Esta dissertação foca o desenvolvimento e implementação de uma plataforma heterogénea de sonorização ambiental com o objectivo de servir de infraestrutura para aplicações no âmbito das Smart Cities. Esta pretende tirar proveito da utilização de múltiplas tecnologias de comunicação, nomeadamente tecnologias de longo e curto alcance. Para al em disto, visto que a plataforma visa ambientes urbanos, esta tira proveito de uma rede oportunista e tolerante a atrasos, Delay Tolerant Network (DTN), através de entidades m oveis que circulam pela cidade, nomeadamente bicicletas. Assim sendo, esta dissertação propõe: (1) o desenho e desenvolvimento da rede e dos seus constituintes; (2) uma extensão a um protocolo de controlo de acesso ao meio, Medium Access Control (MAC), para a tecnologia LoRa com o objectivo de o dotar compatível para ambientes de gateways múltiplas; (3) novas estratégias de encaminhamento para a rede tolerante a atrasos, tendo em consideração a topologia e as características apresentadas por esta. As avaliações realizadas permitiram concluir que o protocolo MAC para LoRa em ambientes de gateways múltiplas proposto contribui para um aumento da escalabilidade da rede, bem como para uma melhoria do seu desempenho. Relativamente às estratégias de encaminhamento propostas para a DTN, os testes realizados permitiram avaliar o impacto que cada estratégia tem sobre o comportamento da rede, nomeadamente a taxa de entrega dos pacotes de dados, a sobrecarga da rede, o número de pacotes transmitidos, entre outros. Com estes resultados foi possível perceber as in- suficiências que as funcionalidades propostas têm sobre a solução geral, e identificar as caraterísticas necessárias de uma solução escalável para a recolha de dados massivos num ambiente de IoT.

The Smart City concept is the combination of the Internet of Things (IoT) paradigm under an urban context with the exploitation of Information and Communication Technologies (ICT) solutions. The typical Smart City scenario has to deal with an extensive amount of sensors and data generators, some of them placed in high mobile devices, deployed to collect and generate all type of information which will increase the number of communicating machines. This dissertation focuses on the development and implementation of a heterogeneous environmental sensing platform to serve as an infrastructure for Smart City applications. It aims to take advantage of the use of multiple communication technologies, namely long and short range. Being within an urban environment, the platform bene ts from an opportunistic and Delay Tolerant Network (DTN) through mobile entities that travel over the city, such as bicycles. Therefore, this dissertation proposes: (1) the design and development of the network and its elements; (2) an extension to a LoRa Medium Access Control (MAC) protocol in order to endow it with capabilities to operate in multi-gateway environments; and lastly, (3) new forwarding strategies for the opportunistic network that takes into consideration the network topology. The performed evaluations showed that the proposed multi-gateway LoRa MAC protocol contributes to increase the LoRa network scalability, as well as its performance. The performed tests to the proposed DTN forwarding strategies evaluate the impact of each strategy on the network behavior, namely the delivery ratio, network overhead, number of transmitted packets, among others. As a result, it is possible to perceive which are the in-

uences introduced by the proposed functionalities on the overall solution, and identify the characteristics of a scalable solution to collect massive data in an IoT environment.