University of Oulu

Small world for dynamic wireless cyber-physical systems

Saved in:
Author: Latvakoski, Juhani1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Computer Science and Engineering
Format: ebook
Version: published version
Online Access: PDF Full Text (PDF, )
Language: English
Published: Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2016
Publish Date: 2016-11-14
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Faculty of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in Kainuunsali (auditorium L2), Linnanmaa, on the 1st December 2016, at 12 noon.
Tutor: Professor Juha Röning
Reviewer: Professor Andreas Timm-Giel
Professor Tullio Salmon Cinotti
Opponent: Associate Professor Vincenzo Mancuso
Description:

Abstract

Today, industries and consumer markets are increasingly using services exposed from wireless sensor and actuator networks. Such systems are here referred to as cyber-physical machine-to-machine systems. These systems rely on the capability to communicate, compute, monitor and control by using information. The motivation for the present research arises from problems detected in the remote interaction with embedded devices over dynamic wireless networks in such systems. The problems are caused by the heterogeneity of devices, networks and operating environments, mobility, dynamic presence, security demands of the owners and of use, multiple radios, unreliability, dynamic topologies, and changes happening in the system.

The approach selected in this research to address these problems is based on the application of the small-world paradigm to cyber-physical systems. The small-world paradigm is based on the observation that people are often linked in a successful social communication chain by, on average, six intermediate steps. In the present study, it is assumed that the concept of small world can be expanded to also cover communication with wireless embedded devices in cyber-physical systems context. In addition, it is expected that creation of wireless short-cuts can, in accordance with the small-world paradigm, improve the scalability and efficiency of dynamic wireless networking.

The main contributions of this research are the technical enablers referred to as dynamic communication spaces, dynamic M2M service spaces, configuration and remote use of services, communication overlay, access systems selection, integrated mobility, secure ad hoc networking, situated opportunistic communication, hierarchical networking for small-world networks, and short-cuts for network optimization. Each of the provided technical enablers contributes towards making remote interaction with embedded devices over dynamic wireless networks possible. The enablers have been evaluated as separate technical methods and means by means of experiments and/or simulations. On the basis of the analysis and synthesis, it was established that they work well as separate building blocks and that they can be combined to expand the concept of small world to also cover communication with embedded devices. Furthermore, it was established that creation of wireless short-cuts can, in accordance with the small-world concept, improve the scalability and efficiency of dynamic wireless networking. In addition, weak links were observed to be essential in the small-world neighbour discovery process. In sum, the evaluation results indicate that the provided enablers help the remote interaction with embedded devices and promote the application of the smallworld concept to dynamic wireless cyber-physical systems.

see all

Tiivistelmä

Langattomien sensori- ja toimielinverkkojen hyödyntäminen on lisääntynyt voimakkaasti viime aikoina teollisuudessa ja kuluttajamaailmassa. Tässä työssä näitä järjestelmiä kutsutaan kyberfyysisiksi järjestelmiksi. Niiden toiminta pohjautuu järjestelmän ja laitteiden kykyyn kommunikoida, laskea, monitoroida ja ohjata toimintaa informaation perusteella. Tutkimuksen lähtökohtana ja motivaationa ovat ongelmat, jotka liittyvät dynaamisten ja liikkuvien sulautettujen laitteiden ja niiden muodostamien verkkojen kanssa tapahtuvaan etäinteraktioon. Ongelmia aiheuttavat laitteiden ja verkkojen heterogeenisuus, liikkuminen, dynaaminen läsnäolo, laitteiden omistajien ja käytön turvallisuusvaatimukset, useat radioteknologiat, epäluotettavuus, dynaamiset topologiat ja muutokset, joita tapahtuu järjestelmässä.

Ongelmien ratkaisemiseksi valittiin lähestymistapa, joka pohjautuu sosiaalitieteissä havaittuun ns. pienen maailman paradigman soveltamiseen langattomiin kyberfyysisiin järjestelmiin. Pienen maailman paradigma perustuu havaintoon, jonka mukaan kaikki ihmiset ovat kytkeytyneet sosiaalisissa kommunikointiketjuissa keskenään keskimäärin kuuden muun ihmisen kautta. Työssä otaksutaan, että edellä mainittu pienen maailman paradigma voidaan laajentaa kattamaan myös kommunikointi langattomien laitteiden kanssa. Lisäksi otaksutaan, että pienen maailman paradigman mukaisesti luodut langattomat ohituslinkit voivat parantaa dynaamisen langattoman verkottumisen skaalautuvuutta ja tehokkuutta.

Tutkimuksen tärkeimpiä tuotoksia ovat seuraavat tekniset mahdollistajat: dynaamiset kommunikointitilat, dynaamisten M2M-laitteiden palvelutilat, konfigurointi ja palveluiden etäkäyttö, virtuaalinen kommunikointiverkko fyysisen verkon päällä, pääsyjärjestelmän valinta, yhdistetty mobiliteetti, turvallinen dynaaminen verkotus, tilannetietoinen tilapäisen tilaisuuden tullen tapahtuva kommunikointi, hierarkkinen verkotus ja pienen maailman ohituslinkit verkon optimoimiseksi. Kukin näistä luoduista teknisistä mahdollistajista osaltaan auttaa varmistamaan, että dynaamisten langattomien verkkojen kautta tapahtuva interaktio sulautettujen laitteiden kanssa onnistuisi sujuvasti. Kyseisiä teknisiä mahdollistajia on arvioitu erillisinä teknisinä menetelminä ja välineinä koejärjestelmien ja/tai simulointien keinoin. Tulosten analysoinnin ja syntetisoinnin perusteella havaittiin, että ne toimivat hyvin erillisinä rakennuspalikoina ja että ne voidaan yhdistää ja niiden avulla voidaan laajentaa pienen maailman -paradigma kattamaan myös sulautettujen laitteiden kanssa tapahtuva kommunikointi. Lisäksi havaittiin, että pienen maailman konseptin mukaisesti toteutettu langattomien ohituslinkkien luonti voi parantaa dynaamisen verkotuksen skaalautuvuutta ja tehokkuutta ja että heikkojen linkkien rooli on erityisen tärkeä naapurin etsintäprosessissa.

Yhteenvetona voidaan todeta, että luodut tekniset ratkaisut helpottavat sulautettujen laitteiden kanssa dynaamisten verkkojen yli tapahtuvaa etäinteraktiota ja että osaltaan auttavat mahdollistamaan pienen maailman konseptin soveltamisen myös langattomiin kyberfyysisiin järjestelmiin.

see all

Series: VTT Science
ISSN: 2242-119X
ISSN-E: 2242-1203
ISSN-L: 2242-119X
ISBN: 978-951-38-8476-5
ISBN Print: 978-951-38-8477-2
Issue: 142
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2016. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.