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The evolution of cellular networks from its first generation (1G) to its fourth generation (4G) was driven by the demand of user-centric downlink capacity also technically called Mobile Broad-Band (MBB). With its fifth generation (5G), Machine Type Communication (MTC) has been added into the target use cases and the upcoming generation of cellular networks is expected to support them. However, such support requires improvements in the existing technologies in terms of latency, reliability, energy efficiency, data rate, scalability, and capacity.
Originally, MTC was designed for low-bandwidth high-latency applications such as, environmental sensing, smart dustbin, etc. Nowadays there is an additional demand around applications with low-latency requirements. Among other well-known challenges for recent cellular networks such as data rate energy efficiency, reliability etc., latency is also not suitable for mission-critical applications such as real-time control of machines, autonomous driving, tactile Internet etc. Therefore, in the currently deployed cellular networks, there is a necessity to reduce the latency and increase the reliability offered by the networks to support use cases such as, cooperative autonomous driving or factory automation, that are grouped under the denomination Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC).
This thesis is primarily concerned with the latency into the Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) of cellular networks. The overall work is divided into five parts. The first part presents the state of the art for cellular networks. The second part contains a detailed overview of URLLC use cases and the requirements that must be fulfilled by the cellular networks to support them. The work in this thesis is done as part of a collaboration project between IRIMAS lab in Université de Haute-Alsace, France and Institute for Reliable Embedded Systems and Communication Electronics (ivESK) in Offenburg University of Applied Sciences, Germany. The selected use cases of URLLC are part of the research interests of both partner institutes. The third part presents a detailed study and evaluation of user- and control-plane latency mechanisms in current generation of cellular networks. The evaluation and analysis of these latencies, performed with the open-source ns-3 simulator, were conducted by exploring a broad range of parameters that include among others, traffic models, channel access parameters, realistic propagation models, and a broad set of cellular network protocol stack parameters. These simulations were performed with low-power, low-cost, and wide-range devices, commonly called IoT devices, and standardized for cellular networks. These devices use either LTE-M or Narrowband-IoT (NB-IoT) technologies that are designed for connected things. They differ mainly by the provided bandwidth and other additional characteristics such as coding scheme, device complexity, and so on.
The fourth part of this thesis shows a study, an implementation, and an evaluation of latency reduction techniques that target the different layers of the currently used Long Term Evolution (LTE) network protocol stack. These techniques based on Transmission Time Interval (TTI) reduction and Semi-Persistent Scheduling (SPS) methods are implemented into the ns-3 simulator and are evaluated through realistic simulations performed for a variety of low-latency use cases focused on industry automation and vehicular networking. For testing the proposed latency reduction techniques in cellular networks, since ns-3 does not support NB-IoT in its current release, an NB-IoT extension for LTE module was developed. This makes it possible to explore deployment limitations and issues.
In the last part of this thesis, a flexible deployment framework called Hybrid Scheduling and Flexible TTI for the proposed latency reduction techniques is presented, implemented and evaluated through realistic simulations. With help of the simulation evaluation, it is shown that the improved LTE network proposed and implemented in the simulator can support low-latency applications with low cost, higher range, and narrow bandwidth devices. The work in this thesis points out the potential improvement techniques, their deployment issues and paves the way towards the support for URLLC applications with upcoming cellular networks.
It is generally agreed that the development and deployment of an important amount of IoT devices throughout the world has revolutionized our lives in a way that we can rely on these devices to complete certain tasks that may have not been possible just years ago which also brought a new level of convenience and value to our lives.
This technology is allowing us in a smart home environment to remotely control doors, windows, and fridges, purchase online, stream music easily with the use of voice assistants such as Amazon Echo Alexa, also close a garage door from anywhere in the world to cite some examples as this technology has added value to several domains ranging from household environments, cites, industries by exchanging and transferring data between these devices and customers. Many of these devices’ sensors, collect and share information in real-time which enables us to make important business decisions.
However, these devices pose some risks and also some security and privacy challenges that need to be addressed to reach their full potential or be considered to be secure. That is why, comprehensive risk analysis techniques are essential to enhance the security posture of IoT devices as they can help evaluate the robustness and reliability towards potential susceptibility to risks, and vulnerabilities that IoT devices in a smart home setting might possess.
This approach relies on the basis of ISO/IEC 27005 methodology and risk matrix method to highlight the level of risks, impact, and likelihood that an IoT device in smart home settings can have, map the related vulnerability, threats and risks and propose the necessary mitigation strategies or countermeasures that can be taken to secure a device and therefore satisfying some security principles. Around 30 risks were identified on Amazon Echo and the related IoT system using the methodology. A detailed list of countermeasures is proposed as a result of the risk analysis. These results, in turn, can be used to elevate the security posture of the device.
In dieser Arbeit wurde in die Thematiken „Internet der Dinge“ und „Open Source“ eingeführt, sowie die Überschneidung beider Themen näher betrachtet. Es wurde damit ein Überblick erstellt, welcher nicht nur den aktuellen Stand dieser beiden Themen einfängt, sondern auch auf einige Grundkonzepte und Funktionsweisen eingeht, welche unabhängig von derzeitigen Trends in der Zukunft immer noch von Relevanz sein werden. Das Lesen dieser Arbeit sollte sich also für all diejenigen eignen, welche bereits Vorwissen über grundlegende IT-Thematiken haben und nun konzentriertes Wissen über das Internet der Dinge und Open Source bekommen wollen.
Vergleich aktueller LPWAN-Technologien im Internet der Dinge unter Einbindung von Energy-Harvesting
(2017)
Die vorliegende Bachelorthesis gibt einen Überblick über die Möglichkeiten zur drahtlosen Machine-to-Machine Kommunikation im Internet der Dinge. Sie bietet eine Einführung in die Low-Power-Wide-Area-Network-Technologie (LPWAN) und einen Vergleich deren Anbieter.
Zu Beginn der Arbeit wird die Funktionsweise der drahtlosen Datenübertragung erklärt und die wichtigsten Fachbegriffe werden erläutert. Anschließend werden die Technologien Short-Range Wireless Network, Mobilfunk und Low-Power-Wide-Area-Network voneinander differenziert und einige Standards jeder Kommunikationstechnik vorgestellt.
Anschließend wird konkreter auf die Funktionsweise der aussichtsreichsten LPWAN-Technologien eingegangen. Nach der Erläuterung der Funktionsweisen werden die
Übertragungstechniken der Anbieter LoRa Alliance, SigFox, Ingenu und EnOcean anhand festgelegter Parameter untersucht und anhand eines Bewertungsschemas verglichen. Dabei zeigte sich, dass die Anbieter im Vergleich über verschiedene Ansätze zum Einsatz der
LPWAN-Technologie verfügen und diese zudem von allen unterschiedlich umgesetzt wird. Aus dem Vergleich wurde jedoch deutlich, wo die Stärken und Schwächen der einzelnen Technologien liegen. Ein kurzer Exkurs in das Thema des Energy-Harvesting – Der Technologie zur Stromerzeugung aus Umweltressourcen – zeigt die möglichen Umsetzungsarten der neuartigen Energiegewinnung und deren Einsatzgebiete für technische Geräte im Internet der Dinge. Die Dokumentation eines Beispielprojekts beschreibt die Umsetzung einer
solarbetriebenen LoRaWAN-Sendeeinheit, welche in der Lage ist die GPS-Daten ihrer Position über eine freie Funkfrequenz an ein LoRaWAN-Gateway in der Umgebung zu senden. Das Gateway interpretiert die Daten und stellt diese mithilfe eines Webdienstes auf einer interaktiven Karte dar.
Das Ziel der Arbeit ist zu erforschen, ob die Erstellung eines Digital Twin des Hamburger Hafens durch Open Source Lösungen realisierbar ist. Die Grundlagen führen in die Themen Digital Twin und Smart City ein. Es wird darauf eingegangen, welche Vorteile durch die Verwendung eines Digital Twins gewonnen werden können und wie sich die verschiedenen Digital Twin-Typen unterscheiden. Es werden verschiedene Architekturen anhand eines Smart City Index weltweit evaluiert, um ein geeignetes Digital Twin-Framework zu finden. FIWARE hat sich als geeignetes Frame- work erwiesen und wird im Anschluss analysiert. Anhand der Evaluierung wird ebenfalls das 3D-Visualisierungs Framework CesiumJS als Open Source Lösung ermit- telt. Das Unternehmen Hamburg Port Authority wird vorgestellt und die interne IT- Infrastruktur betrachtet. Anhand der Architekturdokumentation arc42 werden die Anforderungen und die erforderliche Architektur in Zusammenarbeit mit der Hamburg Port Authority ermittelt. Im Anschluss wird der Architekturentwurf anhand eines Prototyps implementiert. Probleme oder Anforderungen, die nicht erfüllt werden können, werden beschrieben. Abschließend werden die Ergebnisse und das Fazit der Hamburg Port Authority zusammengefasst.
Vergleichende Untersuchung von „Platform as a Service“-Angeboten für das „Internet of Things“
(2016)
Im Rahmen der Master Thesis werden eine Auswahl von Platform as a Service-Angeboten für das Internet of Things untersucht und miteinander verglichen. Auf Grundlage der Untersuchung erfolgt die Implementierung einer IoT-Anwendung für drei der Plattformen. Durch die theoretische Einleitung in die Themen Platform as a Service und Internet of Things, sowie die für das IoT typischen Verbindungsprotokolle HTTP und MQTT wird ein grundlegendes Verständnis für das Sachgebiet vermittelt.
Nach den erklärenden Definitionen folgt die Untersuchung der PaaS-Angebote. Hier werden zunächst die Untersuchungskriterien vorgestellt und erklärt, nach denen die einzelnen Plattformen untersucht werden. Diese umfassen die quantitativen Kriterien Verbreitung, Preis, Verbindungsrate, Datenmenge und Schnittstellen, sowie die qualitativen Kriterien API, Visualisierung, Weiterverarbeitung, Dokumentation, Usability und Sicherheit. Danach erfolgt die detailierte Untersuchung der Plattformen nach den festgelegten Kriterien. Untersucht wurden hierbei die Plattformen ThingSpeak, data.sparkfun.com, RunAbove IoT Lab, flowthings.io, Carriots, Ubidots, GroveStreams, Exosite, Beebotte, MODE, Initial State, Temboo, Oracle Cloud, IBM Watson Internet of Things, Azure IoT Hub, AWS IoT und Google Pub/Sub.
Im Anschluss an die Untersuchung werden die Ergebnisse gegliedert nach den Untersuchungskriterien miteinander verglichen und abschließend ausgewertet. Das Ergebnis der Plattformuntersuchung bietet die Grundlage für die Implementierung einer Internet of Things Anwendung.
Für die Anwendung werden zunächst die Anforderungen beschrieben, welche die eines realitätsnahen Nutzungsfall nachbilden sollen. Das Konzept und die Funktionsweise stellt das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten dar. Die Anwendung soll hierbei die Funktionalität eines Infoterminals nachstellen, welches über NFC Informationen an mobile Endgeräte bereitstellt. Dieses sendet die Anzahl der Zugriffe an das PaaS-Angebot, welches wiederum als Schnittstelle zu Twitter und einer externen Webanwendung dient. Über die Webanwendung kann die Nachricht des Infoterminals aktualisiert werden. Im Folgenden werden die zum Einsatz kommende Hardware und Software beschrieben. Es handelt sich hierbei um einem Arduino Uno Rev3, welcher über ein Adafruit CC3000 Wifi Shield und ein Seeed Studio NFC Shield V2.0 die benötigten Schnittstellen zur Verfügung stellt.
Anschließend erfolgt die Auswahl der drei für die Implementierung verwendeten Plattformen anhand der zuvor durchgeführten Untersuchung. Hierbei wurden als Vertreter verschiedener Benutzergruppen ThingSpeak, Flowthings.io und IBM Watson Internet of Things gewählt.
Im Anschluss an die Plattformauswahl wird die konkrete Umsetzung beschrieben. Zuerst erfolgt der Aufbau und die Programmierung der Grundfunktionalitäten zur Datenübertragung des Arduinos. Danach wird im Detail auf den allgemeinen Teil der Webanwendung eingegangen, welche mit HTML, CSS und jQuery realisiert wurde. Danach erfolgt die Beschreibung der plattformspezifischen Umsetzung der jeweiligen Kommunikation zwischen Arduino und Plattform, sowie der Webanwendung. Hierbei belaufen sich die Unterschiede hauptsächlich auf die verschiedene Implementierung der Authentifizierung, sowie den verwendeten Übertragungsprotokollen HTTP und MQTT.
Nach der Implementierung wird diese ausgewertet um die konkreten Herausforderungen, sowie Vor- und Nachteile der Plattformen, der verwendeten Hardware und Protokolle herauszustellen.
Im letzten Kapitel wird die Arbeit zusammengefasst und abschließend anhand aller gesammelten Erkenntnisse bewertet.
Die Thesis beschäftigt sich mit dem Kommunikationsprotokoll Lightweight Machine to Machine, welches für das Internet of Things entwickelt wurde. Es soll untersucht werden, wie das Protokoll funktioniert und wie es eingesetzt werden kann. Ebenfalls soll die Thesis zeigen, wie und ob Lightweight Machine to Machine über Long Term Evolution for Machines für Anwendungen mit begrenzten Ressourcen geeignet ist. Um diese Fragestellung zu beantworten, wurde das Protokoll auf Grund seiner Spezifikation und seinen Softwareimplementationen untersucht. Daraufhin wurde ein Versuchssystem entworfen und dieses anschließend auf sein Laufzeitverhalten und auf sein Energieverbrauch getestet. Die Evaluation des Protokolls ergab, dass es viele sinnvolle Funktionen zugeschnitten auf Geräte im Internet of Things besitzt und diese Funktionen kompakt und verständlich umsetzt. Da das Protokoll noch relativ jung ist, stellt es an verschiedenen Punkten eine Herausforderung dar. Die Tests des Versuchssystems ergaben, dass Lightweight Machine to Machine sich unter bestimmten Bedingungen für ressourcenbegrenzte Anwendungen eignet.
In der Bachelorarbeit geht es um die Firmwareanalyse von Internet of Things-Geräten. Die Erstellung eines Programms, um solche Firmwares zu analysieren, ist erfolgt. Eine Auswertung der Ergebnisse schließt das Thema ab. Außerdem werden Memory Corruption Protections für ein breiteres Verständnis erläutert.
The Internet of Things is spreading significantly in every sector, including the household, a variety of industries, healthcare, and emergency services, with the goal of assisting all of those infrastructures by providing intelligent means of service delivery. An Internet of Vulnerabilities (IoV) has emerged as a result of the pervasiveness of the Internet of Things (IoT), which has led to a rise in the use of applications and devices connected to the IoT in our day-to-day lives. The manufacture of IoT devices are growing at a rapid pace, but security and privacy concerns are not being taken into consideration. These intelligent Internet of Things devices are especially vulnerable to a variety of attacks, both on the hardware and software levels, which leaves them exposed to the possibility of use cases. This master’s thesis provides a comprehensive overview of the Internet of Things (IoT) with regard to security and privacy in the area of applications, security architecture frameworks, a taxonomy of various cyberattacks based on various architecture models, such as three-layer, four-layer, and five-layer. The fundamental purpose of this thesis is to provide recommendations for alternate mitigation strategies and corrective actions by using a holistic rather than a layer-by-layer approach. We discussed the most effective solutions to the problems of privacy and safety that are associated with the Internet of Things (IoT) and presented them in the form of research questions. In addition to that, we investigated a number of further possible directions for the development of this research.
Gegenstand der hier vorgestellten Arbeit ist eine Untersuchung der gängigsten Anwendungsschicht-Protokolle für das Internet der Dinge. Sie umfasst zum einen die Recherche und den theoretischen Vergleich der Protokolle anhand vorher festgelegter Untersuchungskriterien und zum anderen einen praktisch implementierten Versuchsaufbau, der das Zusammenwirken verschiedener Protokolle veranschaulichen soll.
Zunächst wird eine kurze Einführung in das Thema „Internet der Dinge“ gegeben. Dabei wird auf die Entwicklung der letzten Jahre sowie den Stand der Technik eingegangen. Zum einen wird aufgezeigt, inwieweit sich das Thema auf die verschiedenen Bereiche des täglichen Lebens ausgebreitet hat und zum anderen welche verschiedenen Anwendungspakete diverser Software-Hersteller auf dem Markt sind. Bei der Untersuchung dieser Pakete werden die Protokolle ermittelt, die verwendet werden. Diese bilden die Menge an zu untersuchenden Protokolle für den späteren Vergleich. Um diese in einem wissenschaftlichen Rahmen miteinander vergleichen zu können, werden Kriterien als Basis der Untersuchung definiert. Anhand derer werden alle Protokolle untersucht und anschließend in einer Tabelle zusammengefasst.
Im zweiten Teil werden dann einige der untersuchten Protokolle mithilfe von diversen MCUs (Micro Controller Unit) verwendet und deren Funktionsweise/Handhabung miteinander verglichen. Dabei entsteht ein Aufbau, der zukünftigen Studierenden die Möglichkeit bietet, schnell einen Einblick in den Bereich „Internet der Dinge“ zu erhalten.
In dieser Thesis wird im ersten Teil ein Überblick über das Internet der Dinge gegeben. Dabei geht es um den aktuellen Stand der Technik in diesem Bereich. Danach wird die Thematik Wearables aufgegriffen und bearbeitet. Der andere Teil der Arbeit ist die Entwicklung einer Wearable-Anwendung. Realisiert wird eine Gewichtsmessungseinheit an einer Handtasche. Diese gibt ihrem Nutzer Rückmeldungen über das Gewicht der Tasche und in wie weit dieses für das Körpergewicht des Anwenders im Rahmen eines gesunden Maßes ist.
Thema der Bachelorarbeit ist die OTA-Technologie, welche es ermöglicht, die Firmware eines Embedded Systems zu aktualisieren. Es wird die Funktionsweise eines OTA-Updates an einer reellen Implementierung gezeigt. Anschließend wird eine Komplettlösung für OTA-Updates, die Amazon IoT Core Platform, aufgezeigt. Die Nachteile dieser Komplettlösung sollen in die Konzeption und Implementierung einer Alternative mittels eines Mesh-Netzwerks einfließen.
The Internet of Things (IoT), ubiquitous computing and ubiquitous connectivity, Cyber Physical Systems (CPS), ambient intelligence, Machine-to-Machine communication (M2M) or Car-to-Car (C2C)-communication, smart metering, smart grid, telematics, telecare, telehealth – there are many buzzwords around current developments related to the Internet.
This contribution gives an overview on such IoT-applications, as they are already used today to improve the availability of information, increase efficiency, push system limits and extend the value chain. At a closer look, the economic and technical development can be separated into different phases. It is interesting that we are currently at the threshold to a new phase, with decentralized and cooperative communication and control nodes as cornerstones. Thus, embedded systems and their connectivity are in the middle of the scene.
This recent development is described along with some example projects from the author’s team which are used in industrial automation, energy supply and distribution (home automation and smart metering), traffic engineering (cooperative driver assistance systems), and in telehealth and telecare.
Egal ob Smart City, Smart Home oder als kleine Alltagshilfen, das Internet der Dinge ist heutzutage allgegenwärtig. Um die Dinge der vernetzten Welt nutzen zu können, benötigt man in der Regel ein User Interface. Es gibt verschiedenste Möglichkeiten für den Menschen, mit vernetzten Dingen zu kommunizieren. Es kann über ein Voice User Interface (VUI) mit der Sprache kommuniziert werden oder sogar bereits nur mit Gedanken über sogenannte Brain User Interfaces (BUI). Eine zentrale Rolle hat momentan vor allem das Smartphone, welches als leistungsstarker, dauerhafter Begleiter im Alltag durch eingebaute Sensoren und Kommunikationsmöglichkeiten wie Wifi, Bluetooth oder NFC, ein ideales Interface zum IoT bietet. Das Smartphone, sowie bereits viele Mikrocontroller, bieten zudem die Möglichkeit mit Internettechnologien wie HTML, CSS und JavaScript programmiert zu werden. Somit sind Webentwickler in der Lage, komplette IoT-Anwendungen zu implementieren. Für die webtechnologienbasierte User-Interfaceentwicklung des Smartphones bieten sich Frameworks wie Ionic, React Native, NativeScript oder Evothings an. Zu diesen vier Frameworks wird ein fundierter Vergleich durchgeführt, der Aufschluss über die Einsetzbarkeit der Frameworks bei einer IoT-Anwendung gibt. Ionic steht bei diesem Vergleich beispielsweise durch eine große Community, oder unzählige UI-Elemente mit hoher Usability, an erster Stelle. Die Möglichkeiten von Ionic werden anhand der App für den smarten Briefkasten Mail-E verdeutlicht.
Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Full-Stack-Anwendungen im Bereich des Internets der Dinge mit JavaScript. Grundlegende Wissensbereiche, die für diese Entwicklung notwendig sind, werden vorgestellt und erklärt. Es werden ausgewählte JavaScript-Frameworks und -Interpreter im Bereich des Internets der Dinge vorgestellt, bewertet und miteinander verglichen. Mikrocontroller und Einplatinencomputer, welche von den vorgestellten JavaScript-Frameworks und -Interpretern unterstützt werden, werden vorgestellt.
Um die Entwicklung von Full-Stack-Anwendungen im Bereich des Internets der Dinge mit JavaScript bewerten zu können wird eine Anwendung zur Erfassung, Speicherung und Darstellung von Umgebungsvariablen mit Moddable SDK und dem MERN-Stack entwickelt. Vor der Entwicklung werden Anforderungen über eine Anforderungsanalyse definiert und die Anwendung konzipiert. Im Anschluss wird die Anwendung anhand der Anforderungen bewertet. Probleme, die während der Entwicklung der Anwendung auftreten, werden zusammen mit möglichen Lösungen vorgestellt und Full-Stack-Anwendungen im Bereich des Internets der Dinge mit JavaScript werden in diesem Schritt evaluiert.
JavaScript ist für die Entwicklung von Mikrocontrollern zum aktuellen Stand noch nicht ausgereift genug, jedoch bestehen aktuelle Anstrengungen die Entwicklung von JavaScript APIs für Embedded Systems zu vereinheitlichen und voranzutreiben. Dadurch hat die Entwicklung von Full-Stack-Anwendungen im Bereich des Internets der Dinge mit JavaScript Zukunftspotenzial.
Diese Bachelor Thesis behandelt das Thema MQTT 5, ein Anwendungsprotokoll im Internet der Dinge, das im Januar 2018 veröffentlicht wurde. MQTT 5 dient zur Kommunikation zwischen Geräten die mit dem Internet verbunden sind.
Innerhalb dieser Thesis werden die Neuerungen und Verbesserungen von MQTT 5 beschrieben.
Es wird untersucht, welche Mikrocontroller, SoC-Computer, Programmier-Frameworks und lattformdienste MQTT 5 unterstützen.
Anschließend wird die Entwicklung eines Smarthome-Szenarios beschrieben, das im "Interaktive Verteilte Systeme Labor" an der Hochschule Offenburg zur Anwendung kommt.
Um die Umgebung während der Durchführung von Laborversuchen zu verbessern,werden die Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftqualität, Lautstärke und Lichtstärke im Labor gemessen.
Diese Werte werden anhand von Lichtern, die ihre Farbe ändern und einer Steckdose, die sich je ach Wert ein- und ausschaltet, visualisiert.