Group communication mechanisms in Machine-to-Machine environments

Abstract

Machine-to-Machine (M2M) is an emerging paradigm that rapidly has gained ground in the scenario of modern wireless communications. In recent years, companies have started to introduce numerous products and services for machine-to-machine communication, and it is still expected that M2M will enable the connectivity of millions of devices. The central idea of this paradigm is to provide a pervasive presence of machines and make them share data cooperatively to take decisions with low human intervention. In this context, group communication is present in M2M as a type of communication frequently required, since the number of devices is expected to be large. However, the complexity, the heterogeneity, the large scale, and vast types of scenarios turn efficient machine-to-machine group communication into a major challenge.

Tackling this challenge, this thesis in the first part proposes mechanisms, usually classified as in-network data aggregation, to improve machine-to-machine group communication by allowing the member nodes of a M2M group to eliminate data redundancy and to reduce overhead caused by transmissions of small payloads. Additionally to the proposed in-network data aggregation, this thesis presents tree-based heuristics and also formulates a mathematical model to compute the maximum network lifetime. It also discusses a performance comparison between the proposed heuristics and the optimal solution, highlighting the pros and cons of each approach. Furthermore, this thesis describes a set of experiments using real devices to test the feasibility of the proposals and measure the performance of the improvements in a group communication scenario.

The second part of this thesis addresses the problem of energy efficiency of nodes with capabilities to harvest energy from the ambient. Regarding this problem, two mechanisms that apply data aggregation procedures are proposed. In both cases, the applied data aggregation procedures are used to regulate the amount of traffic flowing over the paths. The ultimate objective of this traffic regulation is to control the energy consumption of the nodes in order to achieve neutral operation or energy sustainability. The condition to be in neutral operation is to keep the remaining energy of a node away from maximum and minimum. The first mechanism uses the residual energy as parameter to determine the amount of data that should be aggregated before the transmission. The second mechanism exploits the fact that there is a bottleneck in terms of residual energy in the path towards the gateway. This bottleneck is the node with minimum energy reserve in the path. So, the enhanced mechanism exchanges messages to find the critical node which is causing the bottleneck and aggregates the traffic to maintain the critical node in neutral operation. This mechanism is implemented in a real embedded system and adapts and extends some of the M2M standard protocols.

The benefits and drawbacks of the contributions have been demonstrated using different evaluation methods, such as simulations, mathematical models, and real experimentation. Furthermore, the evaluations have been conducted with well-known metrics and the results show that all the proposed mechanisms were able to outperform related proposals in literature.

Máquina para máquina(M2M) é um paradigma emergente que rapidamente ganhou terreno no cenário das comunicações sem fio modernas. Nos últimos anos, as empresas começaram a introduzir inúmeros produtos e serviços para a comunicação M2M, e ainda é esperado que M2M permita a conectividade de milhares e milhões de dispositivos. A idéia central desse paradigma é fornecer presença pervasiva de dispositivos e fazê-los compartilhar dados de forma cooperativa para tomar decisões com baixa intervenção humana. Neste contexto, a comunicação em grupo está presente em M2M como um tipo de comunicação frequentemente necessária, uma vez que se espera que o número de dispositivos seja grande. No entanto, a complexidade, a heterogeneidade, a grande escala e os vastos tipos de cenários transformam a comunicação eficiente de grupos M2M em um grande desafio. Enfrentando este desafio, na primeira parte desta tese é proposto procedimentos para melhorar a comunicação em grupo M2M, permitindo que o nó membro de um grupo M2M elimine a redundância de dados e reduza o overhead causado por transmissões de pequenos payloads. Adicionalmente aos procedimentos propostos, esta tese apresenta heurísticas baseadas em árvore e também formula um modelo matemático para calcular o tempo de vida máximo da rede. Uma comparação de desempenho entre as heurísticas propostas e a solução ótima também é discutida, destacando-se os prós e contras de cada abordagem. Além disso, esta tese descreve um conjunto de experimentos usando dispositivos reais que testam a viabilidade e medem o desempenho das melhorias propostas em um cenário de comunicação em grupo. A segunda parte da tese aborda o problema da eficiência energética de nós com capacidade de extrair energia do ambiente. Em relação a este problema, dois mecanismos que aplicam agregação de dados são propostos. Em ambos casos, os procedimentos de agregação de dados são usados para regular a quantidade de tráfego que fluem pelos caminhos. O objetivo final de regular o tráfego é controlar o consumo de energia dos nós a fim de alcançar operação neutra ou sustentabilidade energética. A condição para estar em operação neutra significa manter a energia residual da reserva dentro um intervalo longe do máximo e mínimo. O primeiro mecanismo proposto com esse fim usa a energia residual como parâmetro para determinar a quantidade de dados que deve ser agregada antes da transmissão. O segundo mecanismo explora o facto que existe um gargalo em termos de energia residual no caminho em direção ao gateway. Esse gargalo é o nó com reserva mínima de energia no caminho. Assim, o mecanismo aprimorado troca mensagens para encontrar nó crítico que o gargalo de energia no caminho e agrega o tráfego para manter o nó crítico em operação neutra. Este mecanismo foi implementado em um sistema embarcado real, adapta e estende alguns protocolos padrões de M2M. Os benefícios e desvantagens das contribuições foram demonstrados usando diferentes métodos de avaliação, tais como simulações, modelos matemáticos e experimentação real. Além disso, as avaliações foram realizadas com métricas bem conhecidas e os resultados mostram que todos os mecanismos propostos foram capazes de superar propostas relacionadas da literatura.