https://www.mdu.se/

The widespread adoption of the Internet of Things (IoT) necessitates robust support for emerging applications that exhibit increased dynamism characterized by device mobility, fluctuating radio signals in the environment, and varying traffic loads. Enhancing reliability against these challenges is best achieved through leveraging diversity in frequency, temporal and spatial domains. This Thesis focuses on low-power IoT networks that are running complex protocols such as Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks (RPL) and Time Slotted Channel Hopping (TSCH). Improving reliability of these protocols to mitigate dynamism can be based on either distributed or centralized schemes depending on the trade-offs that are explored throughout the Thesis. The Thesis introduces two frameworks for mitigating device mobility: SDMob and Forte. SDMob integrates real-time tracking algorithms, such as the particle filter, within RPL by offloading computation to a centralized controller, enabling timely handovers through efficient route updates. The Forte framework extends recent autonomous TSCH schedulers by incorporating a centralized scheduler that intervenes only when necessary, striking a balance between autonomy and centralized control. Additionally, centralized controllers can also improve the "stretched" routes of RPL through route projection, as addressed by the RPL-RP protocol.  However, due to the communication overhead associated with centralized solutions, the Thesis also explores on-device solutions. The proposed ACTOR framework integrates transmission power control within RPL networks, enabling them to adapt to environments with evolving RF and density.

Overall, this Thesis provides practical solutions for enhancing the performance of commercial off-the-shelf low-power IoT boards and networks, specifically targeting the routing and MAC layers. Through extensive real-world experiments, simulations, and modeling, the Thesis provides compelling evidence that by adapting key controllable parameters -such as frequency, transmission power, and routing— enables IoT networks to achieve resilience in the face of environmental and operational variability.

Den utbredda användningen av Internet of Things (IoT) kräver robust stöd för framväxande applikationer som uppvisar ökad dynamik, såsom enhetsmobilitet, varierande radiofrekvensmiljö och varierande trafikbelastningar. Att förbättra tillförlitligheten vid dessa utmaningar uppnås bäst genom att utnyttja mångfald i frekvens-, tids- och rumsliga domäner. Denna avhandling presenterar metoder för lågenergi-IoT-nätverk som använder komplexa underliggande protokoll som Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks (RPL) och Time Slotted Channel Hopping (TSCH). Att förbättra tillförlitligheten hos dessa protokoll kan baseras på antingen distribuerade eller centraliserade system beroende på avvägningarna.

Avhandlingens bidrag som förbättrar enhetsmobilitet inkluderar SDMob och Forte-ramverket. Det förstnämnda presenterar realtids spårningsalgoritmer, såsom partikelfilter, genom att avlasta algoritmer till en centraliserad kontroller, som utnyttjar dess beräkningskapacitet för att optimera överlämning genom ruttuppdateringar. Forte-ramverket är en utvidgning av de senaste autonoma TSCH-schemaläggarna genom att integrera en centraliserad schemaläggare som ingriper endast när det är nödvändigt. Centraliserade kontroller kan förbättra de "utsträckta" rutterna för RPL genom ruttprojektion, vilket introduceras i RPL-RP-bidraget. Å andra sidan, på grund av kommunikationsoverheaden av centraliserade lösningar, utforskar avhandlingen också enhetsbaserade system som det föreslagna ACTOR-ramverket som integrerar transmissionsstyrning i RPL-nätverk för att fungera i miljöer med utvecklande RF och densitet.

Sammanfattningsvis ger denna avhandling praktiska lösningar för kommersiella lågenergikort/nätverk, specifikt i routing- och MAC-lagren, för att förbättra deras prestanda i mötet med dynamik. Genom omfattande verkliga experiment, simuleringar och modellering, ger avhandlingen övertygande bevis på att genom att anpassa en mängd kontrollerbara parametrar såsom frekvens, transmissionsstyrka och rutter, kan IoT-nätverk uppnå motståndskraft trots miljömässig och operativ variabilitet.