The IoT refers to the idea of internetworking physical devices, vehicles, buildings, and any other item embedded with the appropriate electronics, software, sensors, actuators, and network connectivity to allows them to interchange data and to provide highly effective new services. In this thesis we focus on the communications issues of the IoT in relation to mobility and we provide different solutions to alleviate the impact of these potential problems and to guarantee the information delivery in mobile scenarios. Our reference context is a Smart City where various mobile devices collaboratively participate, periodically sending information from their sensors. We assume that these services are located in platforms based in cloud infrastructures where the information is protected through the use of virtualisation ensuring their security and privacy. This thesis is structured into seven chapters. We first detail our objectives and identify the current problems we intend to address. Next, we provide a thorough review of the state of the art of all the areas involved in our work, highlighting how we improved the existing solutions with our research. The overall approach of the solutions we propose in this thesis use prototypes that encompasses and integrates different technologies and standards in a small infrastructure, using real devices in real scenarios with two of the most commonly used networks around the world: WiFi and 802.15.4 to efficiently solve the problems we originally identified. We focussed on protocols based on a producer/consumer paradigm, namely AMQP and particularly MQTT. We observed the behaviour of these protocols using in lab experiments and in external environments, using a mesh wireless network as the backbone network. Various issues raised by mobility were taken into consideration, and thus, we repeated the tests with different messages sizes and different inter-message periodicity, in order to model different possible applications. We also present a model for dimensioning the number of sources for mobile nodes and calculating the number of buffers required in the mobile node as a function of the number of sources and the size of the messages. We included a mechanism for avoiding data loss based on intermediate buffering adapted to the MQTT protocol that, in conjunction with the use of an alternative to the Network Manager in certain contexts, improves the connection establishment for wireless mobile clients. We also performed a detailed study of the jitter behaviour of a mobile node when transmitting messages with this proposal while moving through a real outdoor scenario. To emulate simple IoT networks we used the Cooja simulator to study and determine the effects on the probability of delivering messages when both publishers and subscribers were added to different scenarios. Finally we present an approach that combines the MQTT protocol with DTN which we specifically designed for constrained environments and guarantees that important information will never be lost. The advantage of our proposed solutions is that they make an IoT system more resilient to changes in the point of attachment of the mobile devices in an IoT network without requiring IoT application & service developers to explicitly consider this issue. Moreover, our solutions do not require additional support from the network through protocols such as MobileIP or LISP. We close the thesis by providing some conclusions, and identifying future lines of work which we unable to address here. / Internet de las cosas (IoT) se refiere a la idea de interconectar sensores, actuadores, dispositivos físicos, vehículos, edificios y cualquier elemento dotado de la electrónica, así como del software y de la conectividad de red que los hace capaces de intercambiar datos para proporcionar servicios altamente efectivos. En esta tesis nos centramos en temas relacionados con la comunicación de sistemas IoT, específicamente en situaciones de movilidad y en los problemas que esto conlleva. Con este fin ofrecemos diferentes soluciones que alivian su impacto y garantizan la entrega de información en estas situaciones. El contexto de referencia es una ciudad inteligente donde varios dispositivos móviles participan de forma colaborativa enviando periódicamente información desde sus sensores hacia servicios ubicados en plataformas en la nube (cloud computing) donde mediante el uso de virtualización, la información está protegida garantizando su seguridad y privacidad. Las soluciones propuestas en esta tesis se enfocan en probar sobre una pequeña infraestructura un prototipo que abarca e integra diferentes tecnologías y estándares para resolver eficientemente los problemas previamente identificados. Hemos enfocado nuestro esfuerzo en el uso de dispositivos sobre escenarios reales con dos de las redes más extendidas en todo el mundo: WiFi y enlaces 802.15.4. Nos enfocamos en protocolos que ofrecen el paradigma productor/consumidor como el protocolo avanzado de colas de mensajes (AMQP) y particularmente el protocolo de transporte de mensajes telemétricos (MQTT), observamos su comportamiento a través de experimentos en laboratorio y en pruebas al aire libre, repitiendo las pruebas con diferentes tamaños de mensajes y diferente periodicidad entre mensajes. Para modelar las diferentes posibles aplicaciones de la propuesta, se tomaron en consideración varias cuestiones planteadas por la movilidad, resultando en un modelo para dimensionar eficientemente el número de fuentes para un nodo móvil y para calcular el tamaño requerido del buffer, en función del número de fuentes y del tamaño de los mensajes. Proponemos un mecanismo adaptado al protocolo MQTT que evita la pérdida de datos en clientes móviles, basado en un buffer intermedio entre la producción y publicación de mensajes que, en conjunto con el uso de una alternativa al gestor de conexiones inalámbricas "Network Manager", en ciertos contextos mejora el establecimiento de las conexiones. Para la evaluación de esta propuesta se presenta un estudio detallado de un nodo móvil que se mueve en un escenario real al aire libre, donde estudiamos el comportamiento del jitter y la transmisión de mensajes. Además, hemos utilizado emuladores de redes IoT para estudiar y determinar los efectos sobre la probabilidad de entrega de mensajes, cuando se agregan tanto publicadores como suscriptores a diferentes escenarios. Finalmente, se presenta una solución totalmente orientada a entornos con dispositivos de recursos limitados que combina los protocolos MQTT con redes tolerantes a retardos (DTN) para garantizar la entrega de información. La ventaja de las soluciones que proponemos reside en el hecho de que los sistemas IoT se vuelven resilientes a la movilidad y a los cambios de punto de acceso, permitiendo así que los desarrolladores creen fácilmente aplicaciones y servicios IoT evitando considerar estos problema. Otra ventaja de nuestras soluciones es que no necesitan soporte adicional de la red como sucede con protocolos como MobileIP o el protocolo que separa el identificador del localizador (LISP). Se destaca cómo hemos mejorado las soluciones existentes hasta el momento de la escritura de esta disertación, y se identifican futuras líneas de actuación que no han sido contempladas. / Internet de les coses (IoT) es refereix a la idea d'interconnectar sensors, actuadors, dispositius físics, vehicles, edificis i qualsevol element dotat de l'electrònica, així com del programari i de la connectivitat de xarxa que els fa capaces d'intercanviar dades per proporcionar serveis altament efectius. En aquesta tesi ens centrem en temes relacionats amb la comunicació de sistemes IoT, específicament en situacions de mobilitat i en els problemes que això comporta. A aquest efecte oferim diferents solucions que alleugeren el seu impacte i garanteixen el lliurament d'informació en aquestes situacions. El context de referència és una ciutat intel·ligent on diversos dispositius mòbils participen de forma col·laborativa enviant periòdicament informació des dels seus sensors cap a serveis situats en plataformes en el núvol (cloud computing) on mitjançant l'ús de virtualització, la informació està protegida garantint la seva seguretat i privadesa. Les solucions proposades en aquesta tesi s'enfoquen a provar sobre una xicoteta infraestructura un prototip que abasta i integra diferents tecnologies i estàndards per a resoldre eficientment els problemes prèviament identificats. Hem enfocat el nostre esforç en l'ús de dispositius sobre escenaris reals amb dos de les xarxes més esteses a tot el món: WiFi i enllaços 802.15.4. Ens enfoquem en protocols que ofereixen el paradigma productor/consumidor com el protocol avançat de cues de missatges (AMQP) i particularment el protocol de transport de missatges telemètrics (MQTT), observem el seu comportament a través d'experiments en laboratori i en proves a l'aire lliure, repetint les proves amb diferents grandàries de missatges i diferent periodicitat entre missatges. Per a modelar les diferents possibles aplicacions de la proposta, es van prendre en consideració diverses qüestions plantejades per la mobilitat, resultant en un model per a dimensionar eficientment el nombre de fonts per a un node mòbil i per a calcular la grandària requerida del buffer, en funció del nombre de fonts i de la grandària dels missatges. Proposem un mecanisme adaptat al protocol MQTT que evita la pèrdua de dades per a clients mòbils, basat en un buffer intermedi entre la producció i publicació de missatges que en conjunt amb l'ús d'una alternativa al gestor de connexions sense fils "Network Manager'', en certs contextos millora l'establiment de les connexions. Per a l'avaluació d'aquesta proposta es presenta un estudi detallat d'un node mòbil que es mou en un escenari real a l'aire lliure, on estudiem el comportament del jitter i la transmissió de missatges. A més, hem utilitzat emuladors de xarxes IoT per a estudiar i determinar els efectes sobre la probabilitat de lliurament de missatges, quan s'agreguen tant publicadors com subscriptors a diferents escenaris. Finalment, es presenta una solució totalment orientada a entorns amb dispositius de recursos limitats que combina els protocols MQTT amb xarxes tolerants a retards (DTN) per a garantir el lliurament d'informació. L'avantatge de les solucions que proposem resideix en el fet que els sistemes IoT es tornen resilients a la mobilitat i als canvis de punt d'accés, permetent així que els desenvolupadors creuen fàcilment aplicacions i serveis IoT evitant considerar aquests problema. Un altre avantatge de les nostres solucions és que no necessiten suport addicional de la xarxa com succeeix amb protocols com MobileIP o el protocol que separa l'identificador del localitzador (LISP). Es destaca com hem millorat les solucions existents fins al moment de l'escriptura d'aquesta dissertació, i s'identifican futures línies d'actuació que no han sigut contemplades. / Luzuriaga Quichimbo, JE. (2017). Managing Mobility for Distributed Smart Cities Services [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84744 / TESIS

[ES] Cerca de 3.000 millones de personas en todo el mundo no pueden aprovechar ni siquiera los servicios de conectividad más básicos, ya que la mayoría de ellas viven en zonas rurales o países en vías de desarrollo. Incluso los servicios de mensajería más simples serian de gran ayuda, por ejemplo, para los agricultores que desean conocer el precio de las mercancías que les interesa vender o comprar antes de decidir si se emprende un viaje posiblemente largo, caro y agotador. La tecnología LoRa permite realizar enlaces de larga distancia con un consumo reducido de energía a bajo coste, siendo su principal limitación el escaso ancho de banda que ofrece. Con LoRa, los lugares remotos, como las zonas rurales, pueden beneficiarse de servicios basados en la conectividad que, de otro modo, serían imposibles. Nuestra propuesta entra en la categoría de redes comunitarias, en las que los usuarios construyen su propia red cuando no hay infraestructura comercial disponible. Además de la simple aplicación de mensajería, LoRa puede utilizarse para distribuir información de sensores a las comunidades o para proporcionar alertas de desastres o datos meteorológicos. Presentamos un protocolo flexible basado en la tecnología LoRa que permite la transferencia de "contenido" denominado LoRaCTP, el cual proporciona los mecanismos necesarios para que LoRa sea fiable, introduciendo una configuración de conexión ligera. Hemos diseñado este protocolo también como soporte de comunicación para las soluciones IoT basadas en edge computing, dada su estabilidad, el bajo consumo de energía y la posibilidad de cubrir largas distancias. Integramos una arquitectura que permite la recolección de datos de fuentes externas genéricas. Especialmente las fuentes de audio, apuntando a dos servicios básicos: un sistema de mensajería de voz que permite a los usuarios que no saben leer o escribir, realizar notas de voz, y un servicio de compresión de audio para extraer las principales características de la entrada de audio y utilizarla para desarrollar análisis de audio inteligente basado en Machine Learning. Combinamos IoT y Edge computing en un enfoque de innovación frugal, para proponer una solución "ingeniosa", en términos de utilización mínima de recursos y sostenibilidad, para construir un soporte básico para un sistema IoT en áreas rurales. Incluimos un proxy MQTT para integrar dispositivos de bajo coste y bajo consumo en un sistema de mensajería basado en LoRa. A través de una interfaz REST, mostramos cómo se puede usar nuestra plataforma para distribuir información de sensores de las comunidades rurales. Además, MQTT permite que estos datos se proporcionen a "lagos de datos" externos para que puedan usarse para tareas tales como informes, visualización, análisis avanzado y aprendizaje automático. Describimos una arquitectura genérica de edge/fog, utilizando microservicios, un sistema basado en MQTT que puede recopilar datos de ingreso, manejar su persistencia y coordinar la integración de datos con la nube utilizando un servicio específico llamado agregador. Las estaciones edge tienen un canal dedicado con el agregador que se basa en LoRa para permitir transmisiones de largo alcance con bajo consumo de energía. / [CA] Prop de 3.000 milions de persones a tot el món no poden aprofitar ni tan sols els serveis de connectivitat més bàsics, ja que la majoria d'elles viuen en zones rurals o països en vies de desenvolupament. Fins i tot els serveis de missatgeria més simples serien de gran ajuda, per exemple, per als agricultors que desitgen conèixer el preu de les mercaderies que els interessa vendre o comprar abans de decidir si s'emprèn un viatge possiblement llarg, car i esgotador. La tecnologia LoRa permet realitzar enllaços de llarga distància amb un consum reduït d'energia a baix cost, sent la seua principal limitació l'escassa amplada de banda que ofereix. Amb LoRa, els llocs remots, com les zones rurals, poden beneficiar-se de serveis basats en la connectivitat que, d'una altra manera, serien impossibles. La nostra proposta entra en la categoria de xarxes comunitàries, en les quals els usuaris construeixen la seua pròpia xarxa quan no hi ha infraestructura comercial disponible. A més de la simple aplicació de missatgeria, LoRa pot utilitzarse per a distribuir informació de sensors a les comunitats o per a proporcionar alertes de desastres o dades meteorològiques. Presentem un protocol flexible basat en la tecnologia LoRa que permet la transferència de "contingut" denominat LoRaCTP, el qual proporciona els mecanismes necessaris perquè LoRa siga fiable, introduint una configuració de connexió lleugera. Hem dissenyat aquest protocol també com a suport de comunicació per a les solucions IoT basades en edge computing, donada la seua estabilitat, el baix consum d'energia i la possibilitat de cobrir llargues distàncies. Integrem una arquitectura que permet la recol·lecció de dades de fonts externes genèriques. Especialment, les fonts d'àudio, apuntant a dos serveis bàsics: un sistema de missatgeria de veu que permet als usuaris que no saben llegir o escriure realitzar notes de veu, i un servei de compressió d'àudio per a extraure les principals característiques de l'entrada d'àudio i utilitzar-la per a desenvolupar anàlisi d'àudio intel·ligent basat en Machine Learning. Combinem IoT i Edge computing en un enfocament d'innovació frugal, per a proposar una solució "enginyosa", en termes d'utilització mínima de recursos i sostenibilitat, per a construir un suport bàsic per a un sistema IoT en àrees rurals. Incloem un proxy MQTT per a integrar dispositius de baix cost i baix consum en un sistema de missatgeria basat en LoRa. A través d'una interfície REST, vam mostrar com es pot usar la nostra plataforma per a distribuir informació de sensors de les comunitats rurals. A més, MQTT permet que aquestes dades es proporcionen a "llacs de dades" externes perquè puguen usar-se per a tasques com ara informes, visualització, anàlisi avançada i aprenentatge automàtic. Descrivim una arquitectura genèrica de edge/fog, utilitzant microserveis, un sistema basat en MQTT que pot recopilar dades d'ingrés, manejar la seua persistència i coordinar la integració de dades amb el núvol utilitzant un servei específic anomenat agregador. Les estacions edge tenen un canal dedicat amb el agregador que es basa en LoRa per a permetre transmissions de llarg abast amb baix consum d'energia. / [EN] Nearly 3 billion people around the world are unable to take advantage of even the most basic connectivity services, as most of them live in rural areas or developing countries. Even the simplest messaging services would be of great help, for example, to farmers who want to know the price of goods they are interested in selling or buying before deciding whether to embark on a possibly long, expensive and exhausting journey. LoRa technology enables long-distance links with reduced power consumption at low cost, its main limitation being the low bandwidth it offers. With LoRa, remote locations, such as rural areas, can benefit from connectivity-based services that would otherwise be impossible. Our proposal falls into the category of community networks, where users build their own network when commercial infrastructure is not available. In addition to a simple messaging application, LoRa can be used to distribute sensor information to communities or to provide disaster alerts or weather data. We present a flexible protocol based on LoRa technology that enables the transfer of "content" called LoRaCTP, which provides the necessary mechanisms for LoRa to be reliable, introducing a lightweight connection setup. We have designed this protocol also as a communication support for IoT solutions based on edge computing, given its stability, low power consumption and the possibility of covering long distances. Likewise, we integrated an architecture that allows data collection from generic external sources. Especially audio sources, targeting two basic services: a voice messaging system that allows users who cannot read or write to make voice notes, and an audio compression service to extract the main features of the audio input and use it to develop intelligent audio analytics based on Machine Learning. We combine IoT and Edge computing in a frugal innovation approach, to propose an "ingenious" solution, in terms of minimum resource utilization and sustainability, to build a basic support for an IoT system in rural areas. We include an MQTT proxy to integrate low-cost and low-power devices into a LoRa-based messaging system. Through a REST interface, we show how our platform can be used to distribute sensor information from rural communities. In addition, MQTT allows this data to be provided to external "data lakes" so that it can be used for tasks such as reporting, visualization, advanced analytics, and machine learning. We describe a generic edge/fog architecture, using microservices, an MQTT-based system that can collect ingress data, manage its persistence, and coordinate data integration with the cloud using a specific service called an aggregator. The edge stations have a dedicated channel with the aggregator that is based on LoRa to enable long-range transmissions with low power consumption. / Agradezco al Gobierno de los Estados Unidos Mexicanos a través del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y al Gobierno de Chiapas mediante el Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Chiapas (COCYTECH) por brindarme la oportunidad de mejoramiento profesional y académico por medio del programa de becas “CONACYT - Gobierno del Estado de Chiapas” en la convocatoria del 2017. / Nakamura Pinto, MK. (2022). Diseño de un sistema de mensajería instantánea para redes comunitarias [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188948