Application-derived communication protocol selection in M2M platforms for smart cities

Machine-to-Machine (M2M)-Kommunikation bietet ein neues Paradigma, das darauf abzielt, das Niveau der Systemautomatisierung zu erhöhen, indem alle physischen und virtuellen Objekte in ein groß angelegtes Smart-City-Framework integriert werden können. Die Tatsache, dass verbundene Objekte Aktivitäten darstellen, die mit alltäglichen Anwendungen in Beziehung stehen, bringt unterschiedliche Herausforderungen mit sich, die Heterogenität der zugrunde liegenden Technologien und Anwendungsdomänen zu verwalten. Einige Anwendungen im Kontext der Smart City haben kritische Anforderungen an die Datenlatenz und den verlangten Durchsatz, wie zum Beispiel eHealth und Smart Grid. Allerdings behandeln die gegenwärtigen Netzwerke den Traffic, der von verschiedenen Anwendungen erzeugt wird, in der gleichen Weise, unabhängig von deren Inhalt oder Ursprung. In jüngster Zeit wurden mehrere divergierende Standards und Protokolle für die M2M-Kommunikation und Internet-der-Dinge-(IoT)-Service-Plattformen spezifiziert. Jedes Protokoll konzentriert sich auf einen spezifischen Aspekt der M2M-Kommunikation. Das Fehlen eines Protokolls, das die heterogenen Anforderungen der M2M-/IoT-Anwendungen erfüllen kann, führte zu einem stark fragmentierten Protokollstapel in M2M-/IoT-Systemen. Angesichts der Vielfalt der Betriebsbedingungen und Quality-of-Service-(QoS)-Anforderungen ist es unmöglich, von einem einzigen Protokoll für alle Datenströme oder alle Anwendungen abzuhängen. Die Kernfrage, die in dieser Arbeit gestellt wird, ist, welches Transportprotokoll für eine definierte M2M-Anwendung ausgewählt werden sollte. In dieser Dissertation wird ein Framework eingeführt, das dynamisch angepasst werden kann, um den heterogenen Traffic von M2M-Anwendungen zu transportieren und das die Vermittlung mit anderen M2M-Plattformen ermöglicht. Das Ziel des AdM2M-Framework ist es, die Anpassungsfähigkeit von M2M-Knoten beim Transportieren von Datenströmen zu erhöhen. Das betrifft Anfragen von verbundenen Geräten, die bei den Ressourcen eingeschränkt oder auch ressourcenreich sein können, und auch verschiedene Anwendungen, die unterschiedliche Anforderungen im QoS haben. Die Konzepte wurden als Ergänzungen zur Open Machine Type Communication (OpenMTC)-Plattform integriert, um ihren Wert in einer standardisierten Prototyp-Architektur zu beweisen. Eine Leistungsbewertung wurde durchgeführt, die in der Praxis zeigt, wie die beschriebene Funktionalität als Teil eines IoT-Systems zu verwirklichen ist. Darüber hinaus wurde die Arbeit in mehreren europäischen Forschungsprojekten und Testumgebungen verifiziert, die verschiedene Sachverhalte im Zusammenhang mit der Realisierung von Smart Cities ansprechen.

Machine-to-Machine (M2M) provides a new paradigm that aims to increase the level of system automation by enabling every physical and virtual object to be integrated seamlessly into a large-scale Smart City framework. The fact that connected objects represent activities related to every-day applications imposes different challenges to manage the heterogeneity of underlying technologies and application domains. Some applications in the Smart City context have critical requirements in terms of data latency and demanded throughput, such as eHealth and Smart Grid. However, the current networks treat traffic generated by different applications in the same way regardless of the content or its source. Recently, several divergent standards and protocols have been specified for M2M communication and the Internet of Things (IoT) service platforms. Each protocol focuses on a specific aspect of M2M communication. The lack of a protocol that can satisfy the heterogeneous requirements of M2M/IoT applications has resulted in a highly fragmented protocol stack in M2M/IoT systems. Considering the variety in operating conditions and Quality of Service (QoS) requirements, it's impossible to depend on one protocol for all data streams or all applications. The core question addressed by this dissertation is which transport protocol should be selected for a defined M2M application. In this dissertation, a framework is introduced that enables the dynamically adaptation to transporting heterogeneous traffic of M2M applications and mediation with other M2M platforms. The objective of the proposed framework is to increase the adaptability of M2M nodes in transporting flows of requests from connected objects, be it resource-constrained or resource-rich, and different applications demanding heterogeneous QoS requirements. The concepts were integrated as additions to the Open Machine Type Communication (OpenMTC) platform to prove their value in a standard prototype architecture. An evaluation of the proposed concepts has been carried out providing a practical view on how to realize the proposed functionality as part of IoT systems. Additionally, the work has been verified within several European research projects and testbeds that address different issues related to Smart City realization.