Wireless sensor networks in the future internet of things: density, mobility, heterogeneity and integration

Las redes de sensores inalámbricos están 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 investigación científica durante la última década, su rendimiento en implementaciones prácticas está todavía muy por detrás de los resultados teóricos. Esto es en gran parte debido a los problemas prácticos que aparecen en entornos reales. Como resultado, su uso está generalmente limitado a aplicaciones simples de monitorización del entorno. El objetivo de esta tesis es reducir el margen entre el potencial teórico y real de las redes de sensores inalámbricos y de esta manera incrementar su integración dentro de la sociedad. En concreto, la tesis se centra en los siguientes cuatro obstáculos: alta densidad de nodos, movilidad de nodos, tráfico heterogéneo e integración 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 práctico para realizar el enrutado, el control de potencia y la selección de canal, basado en el protocolo RPL (Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks). Esta solución permite reducir las colisiones entre paquetes y además mejorar el consumo energético de este tipo de redes. Segundo, se pretende mejorar la baja fiabilidad y robustez de las redes de sensores inalámbricos con nodos móviles. Con este objetivo se presenta un método que combina RPL con un sistema de enrutado que considera la posición de los nodos basado en el filtro de Kalman. Éste combina la eficiencia y fiabilidad de RPL permitiendo además manejar nodos móviles. Tercero, se estudian maneras de proporcionar la calidad de servicio necesaria a las redes de sensores con tráfico heterogéneo. Para ello se propone una estrategia multi árbol basada en la construcción de múltiples instancias RPL. Ésta construye diferentes topologías virtuales para cada función objetivo, y de esta manera es posible atender los requisitos de cada flujo de tráfico de manera independiente. Finalmente, se estudia la manera de integrar las redes de sensores inalámbricos dentro de la nube y el internet de las cosas. Con este objetivo se propone una formulación para coordinar la utilización de los recursos de la red de manera conjunta usando estrategias de virtualización y computación móvil en la nube. Esto permite reducir el consumo energético 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