La presente tesis aborda la problemática de la convivencia entre las redes de la televisión digital terrestre y móvil de cuarta generación en la banda del primer dividendo digital (banda de 700 MHz), en Sudamérica. Además, se proponen dos potenciales casos de uso de compartición de espectro para el uso futuro de la banda de televisión después de los dividendos digitales, como modo de acceso eficiente y flexible para el uso del espectro radioeléctrico. Para garantizar la convivencia entre las tecnologías de televisión y móviles en la banda del primer dividendo digital en Sudamérica, se evalúa tanto el impacto de las redes móviles sobre las de televisión, así como el caso contrario, las redes de televisión sobre las móviles, teniendo en cuenta los parámetros técnicos de operación de cada una de las redes implicadas, los cuales son definidos por organismos de estandarización o parámetros reales de redes implementadas por cada país. Dentro de los parámetros técnicos de operación que se definieron para las redes podemos citar: márgenes de protección entre las señales de televisión y móviles; distancias de protección entre el transmisor interferente y el receptor víctima; banda de guarda requeridas entre las dos tecnologías; límites de emisiones interferentes fuera de banda; niveles de atenuación adicionales en las máscaras espectrales; evaluación de técnicas de mitigación de interferencias, entre otros. Es importe resaltar, que las principales diferencias entre los estudios de convivencia en Sudamérica respecto a Europa son: la banda de guarda en Sudamérica son 5 MHz mientras en Europa son 9 MHz; el ancho de banda de un canal de televisión en Sudamérica es 6 MHz respecto a 8 MHz en Europa; el estándar de televisión adoptados en casi toda Sudamérica es ISDB-Tb, a excepción de Colombia que adopto DVB-T2. Asimismo, en el ámbito de esta tesis, se proponen dos potenciales casos de estudio para el uso futuro de la banda de TV, promoviendo la compartición de espectro como un modo de acceso eficiente: El primer caso de estudio, propone un nuevo concepto de espacios en blanco llamado µ-TV-White-Space, los cuales son aquellas zonas geográficas en los interiores de una vivienda y/o oficina que no son cubiertas por el servicio de televisión digital terrestre, ya sea por la ausencia de cobertura o por obstáculos. El escenario propuesto es una red DVB-T2 ofreciendo cobertura en recepción fija sobre tejado, como servicio primario, y, femtoceldas LTE-A en interiores de un hogar u oficina, como servicio secundario. Los resultados obtenidos proporcionan restricciones técnicas para que las femtoceldas LTE-A puedan operar correctamente en espectro compartido con los servicios de televisión. Específicamente, se define la Potencia Isotrópica Radiada Equivalente (PIRE) máxima que podrían transmitir las femtoceldas, en función de la separación en frecuencia con los servicios de televisión. El segundo caso de estudio, propone el uso de los espacios en blanco para la compartición de espectro entre los servicios de internet de las cosas bajo el estándar NB-LTE-IoT, como servicio secundario, y servicios de televisión digital terrestre bajo el estándar DVB-T2, como servicio primario. Se define la máxima potencia transmisible por los nodos y dispositivos IoT sin interferir al servicio primario. Además, se evalúa el impacto del ciclo de trabajo de los dispositivos considerando que existirá diversidad de aplicaciones. La importancia de esta propuesta se fundamenta en dos contribuciones: por un lado, se optimiza el uso de la banda de televisión mediante el acceso secundario de dispositivos de baja potencia en los espacios en blanco, siempre garantizando los servicios de televisión, como servicio primario, por otro lado, se contribuye con nuevas frecuencias para las tecnologías móviles de última generación, con el objetivo de aumentar la capacidad de las redes que soportarán tanto / This thesis deals with the issue about coexistence between television and fourth generation mobile networks within the band of the first digital dividend (700 MHz band), in South America. Moreover, two potential cases of sharing spectrum for future use of the television band after the digital dividends are suggested as an efficient and flexible way for usage of the radio spectrum. In order to ensure the coexistence between the television and mobile technologies within the band of the first digital dividend in South America, the impact of the mobile networks as well as the opposite case are assessed. The technical operation parameters for each of the involved networks defined by standardizing organisms or real parameters from implemented networks in each country are considered. Among the technical parameters that were defined for the networks, we can mention: protection ratio between television and mobile signals; protection distances between the interfering transmitter and the victim receiver; required guard bands between both technologies; maximum power of the interfering out-of-band emissions in adjacent channels; additional attenuation levels in the spectrum emission mask in transmission and reception; assessing of interference mitigation techniques, among others. It is important to highlight that the main differences between the coexistence studies for South America and Europe are: the guard bands in South America are 5 MHz whereas in Europe are 9 MHz; bandwidth for a channel in South America is 6 MHz in contrast with the 8 MHz of Europe; the television standard adopted in almost all South America is ISDB-Tb, except Colombia and the French Guiana, which adopted DVB-T2. Additionally, within the scope of this thesis, two potential study cases for future usage of the TV band are proposed, promoting sharing spectrum as an efficient access way: The first study we go a step beyond coexistence, since the aim is to exploit the unused radio spectrum in those geographical zones that are not covered because the useful signal is obstructed by the environment or it has a limited coverage by the network design. Those areas can be called "micro-TVWS" (µ-TV-White-Space). The most representative cases of our definition of µ-TV-White-Space are those indoor environments in areas where DTT received power is below the required sensitivity because a TV channel is broadcasted to rooftop reception. The proposed scenario considers a DTT network offering fixed rooftop reception as a primary service, and a LTE-A femtocell giving coverage within the interior of a home or office as a secondary service. Our results provide the technical restrictions of the LTE-A Femtocell, mainly on the maximum allowable Effective Isotropic Radiated Power (EIRP) that could transmit on the DTT band in terms of carrier separation, from co-channel to adjacent band. The second study case, suggests the use of white spaces for spectrum sharing among the Internet of Things (IoT) services, under the NB-LTE-IoT standard, as secondary service, and digital terrestrial television services under the DVB-T2 standard, as primary service. The maximum transmissible power by the nodes and IoT devices without interfering the primary service is defined. Besides, the impact of the duty cycle of the devices is assessed considering that there will be a great diversity of applications, and thus, a great diversity of operation requirements. The significance of this proposal is due to two contributions: on the aone hand, the usage of the television band is optimized through secondary access of low power devices within the white spaces, always ensuring television services as primary service. On the other hand, new frequencies for last generation mobile technologies are given, with the aim at increasing the network capacity, which will bear mobile services as well as IoT, regarding the high challenge of offering connectivity to millions of devices during the next decade. / La present tesi aborda la problemàtica de la convivència entres les xarxes de la televisió digital terrestre i mòbil de quarta generació en la banda del primer dividend digital (banda de 700 MHz), en Sud-Amèrica. A més, es proposen dos potencials casos d'ús compartit d'espectre per a l'ús futur de la banda de televisió després dels dividends digitals, com a mode d'accés eficient i flexible per a l'ús de l'espectre radioelèctric. Per tal de garantir la convivència entre les tecnologies de televisió i mòbils en la banda del primer dividend digital en Sud-Amèrica, s'avalua tant l'impacte de les xarxes mòbils sobre les de televisió, com el cas contrari, les xarxes de televisió sobre les mòbils, tenint en compte els paràmetres tècnics d'operació de cadascuna de les xarxes implicades, els quals són definits per organismes d'estandardització o paràmetres reals de xarxes implementades per cada país. Dins dels paràmetres tècnics d'operació que es van definir per a les xarxes podem citar: marges de protecció entre els senyals de televisió i mòbils; distàncies de protecció entre el transistor interferent i el receptor víctima; banda de guarda entre ambdós tecnologies; límits de les emissions interferents fora de banda; nivells d'atenuació addicionals en les màscares espectrals; avaluació de tècniques de mitigació d'interferències, entre d'altres. És important destacar, que les principals diferències entre els estudis de convivència en Sud-Amèrica respecte d'Europa són: la banda de guarda en Sud-Amèrica són 5 MHz mentre que a Europa són 9 MHz; l'amplària de banda d'un canal de televisió en Sud-Amèrica és de 6 MHz respecte dels 8 MHz a Europa; l'estàndard de televisió adoptat en quasi tota Sud-Amèrica és ISDB-Tb, excepte Colòmbia i la Guaiana Francesa que van adoptar DVB-T2. A Europa quasi tots els països tenen adoptats els estàndards DVB-T de primera i segona generació. Així mateix, en l'àmbit de la tesi, es proposen dos potencials casos d'estudi per a l'ús futur de la banda de TV, de manera que es promoga la compartició d'espectre com un mode d'accés eficient: El primer cas d'estudi, proposa un nou concepte d'espais en blanc anomenat µ-TV-White-Space, els quals són aquelles zones geogràfiques que no són cobertes pel servei de televisió digital terrestre, ja siga per l'absència de cobertura o per obstacles. L'escenari proposat és una xarxa DVB-T2 que ofereix cobertura en recepció fixa sobre terrat, com a servei primari, i femtocel·les LTE-A en interiors d'una llar o oficina, com a servei secundari. Els resultats obtinguts proporcionen restriccions tècniques per tal que les femtocel·les LTE-A puguen operar correctament en espectre compartit amb els serveis de televisió. Específicament, es defineix la Potència Isotròpica Radiada Equivalent (PIRE) màxima que podrien transmetre les femtocel·les, en funció de la separació en freqüència amb els serveis de televisió. El segon cas d'estudi, proposa l'ús d'espais en blanc per a la compartició d'espectre entre els serveis d'internet de les coses (Internet of Things o IOT, en anglès), sota l'estàndard NB-LTE-IoT, com a servei secundari, i serveis de televisió digital terrestre sota l'estàndard DVB-T2, com a servei primari. Es defineix la màxima potència transmissible pels nodes i dispositius IoT sense interferir al servei primari. A més, s'avalua l'impacte del cicle de treball dels dispositius considerant que existirà diversitat d'aplicacions, i, per tant, diversitat de requeriments d'operació. La importància d'aquesta proposta es fonamenta en dues contribucions: per una banda, s'optimitza l'ús de la banda de televisió mitjançant l'accés secundari de dispositius de baixa potència als espais en blanc, sempre garantint els serveis de televisió, com a servei primari. Per altra banda, es contribueix amb noves freqüències per a les tecnologies mòbils d'última generació, amb l'objectiu d'a / Martínez Pinzón, G. (2018). Compartición del Espectro Radioeléctrico entre Tecnologías Inalámbricas de Última Generación en la Banda de la Televisión Digital Terrestre [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/102644

[ES] El interés en la industria y a nivel académico en el desarrollo en el campo de Internet de las Cosas (IoT) es muy alto. Se han diseñado e implementado una gran cantidad de soluciones a diferentes niveles. Desde soluciones a nivel de dispositivo hasta plataformas IoT completas. No obstante, desarrollar nuevas soluciones IoT en muchos casos puede suponer un esfuerzo complejo. Esta no es una tarea que se deba realizar desde cero. Las plataformas IoT ofrecen las herramientas necesarias para administrar y trabajar con los dispositivos y objetos conectados a ellas. Las plataformas utilizan estos datos para producir resultados y ofrecer servicios y aplicaciones. El ecosistema IoT abarca una amplia gama de dispositivos, sensores, actuadores, entidades de conocimientos, protocolos, tecnologías, redes, plataformas, servicios, aplicaciones, sistemas y datos muy diversos. Como consecuencia de su naturaleza heterogénea y la ausencia de un estándar global de IoT, un hecho que tampoco se espera lograr en un futuro próximo, en lugar de lograr la integración perfecta entre los diferentes sistemas IoT proliferan diferentes tecnologías y sistemas que implementan sus propios protocolos de interoperabilidad para los objetos que componen IoT. El trabajo realizado en esta Tesis Doctoral se encarga de revertir esta problemática asociada a la heterogeneidad de las plataformas IoT y la falta de un estándar de interoperabilidad predominante en el mercado. Por tanto, el objetivo de la misma es ofrecer una solución centrada en aprovechar las diferentes ventajas que ofrecen las plataformas, aplicaciones y servicios IoT disponibles, para ofrecer una serie de mecanismos de interoperabilidad y un marco común que permitan poder acceder, interactuar e intercambiar información y funcionalidades entre las diferentes plataformas IoT. Concretamente, la Tesis Doctoral se centra en las necesidades de interoperabilidad de plataformas IoT en las capas de Middleware y Aplicación y Servicios. Desde la perspectiva de los mecanismos de la capa middleware, la Tesis Doctoral establece soluciones basadas en una capa de abstracción que facilita el acoplamiento de las diferentes plataformas. Esto proporciona funcionalidades para acceder a las principales características e información de las diferentes plataformas IoT. Desde la perspectiva de los mecanismos de la capa de aplicación y servicios, se diseñan y definen soluciones para el acceso común y la interacción entre los distintos servicios y aplicaciones heterogéneos ofrecidos por las plataformas. Además, en la Tesis Doctoral se presentan aquellos elementos transversales para ofrecer una solución de interoperabilidad completa. En primer lugar, se exponen aquellos requisitos necesarios para gestionar la confianza, seguridad, privacidad, virtualización, extensibilidad o escalabilidad. En segundo lugar, se presenta la definición de un marco común de interoperabilidad que proporciona una forma de unificar los diferentes mecanismos de interoperabilidad presentados. También se ofrecen herramientas para gestionar, acceder y hacer un uso adecuado de los mecanismos de interoperabilidad. Finalmente, se presenta la aproximación a la solución propuesta llevada a cabo en los proyectos europeos H2020: INTER-IoT, ACTIVAGE, PIXEL y DataPorts. Estos proyectos han servido para definir, desarrollar y validar los mecanismos de interoperabilidad y la solución presentada en esta Tesis Doctoral. / [CAT] L'interés en la indústria i a nivell acadèmic en el desenvolupament en el camp d'Internet de les Coses (IoT) és molt alt. S'han dissenyat i implementat una gran quantitat de solucions a diferents nivells. Des de solucions a nivell de dispositiu fins a plataformes IoT completes. No obstant això, desenvolupar noves solucions IoT en molts casos pot suposar un esforç complex. Aquesta no és una tasca que s'haja de realitzar des de zero. Les plataformes IoT ofereixen les eines necessàries per a administrar i treballar amb els dispositius i objectes connectats a elles. Les plataformes utilitzen aquestes dades per a produir resultats i oferir serveis i aplicacions. L'ecosistema IoT es compon d'una una àmplia gamma de dispositius, sensors, actuadors, entitats de coneixements, protocols, tecnologies, xarxes, plataformes, serveis, aplicacions, sistemes i dades molt diverses. A conseqüència de la seua naturalesa heterogènia i l'absència d'un estàndard global de IoT, un fet que tampoc s'espera aconseguir en un futur pròxim, es produeix que en lloc d'aconseguir la integració perfecta entre els diferents sistemes IoT, proliferen diferents tecnologies i sistemes que implementen els seus propis protocols d'interoperabilitat per als objectes que componen Internet de les Coses. El treball realitzat en aquesta tesi doctoral s'encarrega de revertir aquesta problemàtica associada a l'heterogeneïtat de les plataformes IoT i la falta d'un estàndard d'interoperabilitat predominant en el mercat. Per tant, l'objectiu és oferir una solució centrada en aprofitar els diferents avantatges que ofereixen les plataformes, aplicacions i serveis IoT disponibles, per a oferir una sèrie de mecanismes d'interoperabilitat i un marc comú que permeten poder accedir, interactuar i intercanviar informació i funcionalitats entre les diferents plataformes IoT. Concretament, el treball se centra en les necessitats d'interoperabilitat de plataformes IoT en les capes de Middleware i Aplicació i Serveis. Des de la perspectiva dels mecanismes de la capa Middleware, el present treball estableix solucions basades en una capa d'abstracció que facilita la unificació de les diferents plataformes. Això proporciona les funcionalitats per a accedir a les principals les característiques i informació de les diferents plataformes IoT. Des de la perspectiva dels mecanismes de la capa d'aplicació i serveis, es dissenya i defineixen solucions per a l'accés comú i la interacció entre els diferents serveis i aplicacions heterogenis oferits per les plataformes. A més, es presenten en el present treball aquells elements transversals per a oferir una solució d'interoperabilitat completa. En primer lloc, aquells requisits necessaris per a gestionar la confiança, seguretat, privacitat, virtualització, extensibilitat o escalabilitat. En segon lloc, la definició d'un marc comú d'interoperabilitat que proporciona una manera d'unificar els diferents mecanismes d'interoperabilitat presentats. Oferint eines per a gestionar, accedir i fer un ús adequat dels mecanismes d'interoperabilitat. Finalment, es presenta l'aproximació a la solució proposada duta a terme en els projectes europeus H2020: INTER-IoT, ACTIVAGE, PÍXEL i DataPorts. Aquests projectes han servit per a definir, desenvolupar i validar els mecanismes d'interoperabilitat i la solució oferida en aquesta tesi doctoral. / [EN] There is a strong interest in the field of the Internet of Things (IoT) in the industry and the academia. A large number of solutions have been designed and implemented at different levels. From device level solutions to complete IoT platforms. However, developing new IoT solutions can be a challenging task. This is not a task that needs to be done from scratch. IoT platforms provide the tools needed to manage and access to the devices and objects connected to them. The platforms can take advantage of this data to produce results and deliver services and applications. The IoT ecosystem encompasses a wide range of diverse devices, sensors, actuators, knowledge entities, protocols, technologies, networks, platforms, services, applications, systems and data. As a consequence of its heterogeneous nature and the absence of a global IoT standard, something that is also not expected to be achieved soon, instead of achieving seamless integration between different IoT systems, different technologies and systems proliferate and providing their own interoperability protocols for the objects related with Internet of Things. The work carried out in this PhD thesis aims to address this problem associated with the heterogeneity of IoT platforms and the lack of a predominant interoperability standard in the market. Therefore, the objective is to offer a solution focused on taking advantage of the different benefits offered by the available IoT platforms, applications and services, in order to offer a series of interoperability mechanisms and a common framework that allows accessing, interacting and exchanging information and functionalities between the different IoT platforms. Specifically, the work is focused on the interoperability needs at the Middleware and Application and Services layers of the IoT Platforms. From the perspective of the Middleware layer mechanisms, this work establishes solutions based on an abstraction layer that facilitates the coupling of the different platforms. This provides functionalities to access to the main features and information of the different IoT platforms. From the perspective of the Application and Service layer mechanisms, this work designs and defines solutions for common access and interaction between the different heterogeneous services and applications offered by the IoT platforms. In addition, this PhD tesis presents those cross-cutting aspects needed to provide a complete interoperability solution. Firstly, those requirements involved in to manage trust, security, privacy, virtualisation, extensibility or scalability. Secondly, the definition of a common interoperability framework that provides a way to unify the different interoperability mechanisms presented. It offers tools for managing, accessing and making appropriate use of the interoperability mechanisms developed in this work. Finally, it describes the approach to the proposed solution carried out in the following H2020 european projects: INTER-IoT, ACTIVAGE, PIXEL and DataPorts. These research projects have been used to define, develop and validate the interoperability mechanisms and the solution offered in this PhD tesis. / Belsa Pellicer, A. (2022). Especificación y desarrollo de mecanismos de interoperabilidad a nivel de Middleware y Aplicaciones/Servicios entre Plataformas Heterogéneas de Internet de las Cosas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185508 / TESIS

<p>The rapid expansion of consumer Internet-of-Things (IoT) technology across various application domains has made it one of the most sought-after and swiftly evolving technologies. IoT devices offer numerous benefits, such as enhanced security, convenience, and cost reduction. However, as these devices need access to sensitive aspects of human life to function effectively, their abuse can lead to significant financial, psychological, and physical harm. While previous studies have examined the vulnerabilities of IoT devices, insufficient research has delved into the impact and mitigation of threats to users' privacy and safety. This dissertation addresses the challenge of protecting user safety and privacy against threats posed by IoT device vulnerabilities. We first introduce a novel IWMD architecture, which serves as the last line of defense against unsafe operations of Implantable and Wearable Medical Devices (IWMDs). We demonstrate the architecture's effectiveness through a prototype artificial pancreas. Subsequent chapters emphasize the safety and privacy of smart home device users. First, we propose a unique device activity-based categorization and learning approach for network traffic analysis. Utilizing this technology, we present a new smart home security framework and a device type identification mechanism to enhance transparency and access control in smart home device communication. Lastly, we propose a novel traffic shaping technique that hinders adversaries from discerning user activities through traffic analysis. Experiments conducted on commercially available IoT devices confirm that our solutions effectively address these issues with minimal overhead.</p>

[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

En la actualidad, la Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT) es una tecnología esencial para la próxima generación de sistemas inalámbricos. La conectividad es la base de IoT, y el tipo de acceso requerido dependerá de la naturaleza de la aplicación. Uno de los principales facilitadores del entorno IoT es la comunicación machine-to-machine (M2M) y, en particular, su enorme potencial para ofrecer conectividad ubicua entre dispositivos inteligentes. Las redes celulares son la elección natural para las aplicaciones emergentes de IoT y M2M. Un desafío importante en las redes celulares es conseguir que la red sea capaz de manejar escenarios de acceso masivo en los que numerosos dispositivos utilizan comunicaciones M2M. Por otro lado, los sistemas celulares han experimentado un tremendo desarrollo en las últimas décadas: incorporan tecnología sofisticada y nuevos algoritmos para ofrecer una amplia gama de servicios. El modelado y análisis del rendimiento de estas redes multiservicio es también una tarea desafiante que podría requerir un gran esfuerzo computacional. Para abordar los desafíos anteriores, nos centramos en primer lugar en el diseño y la evaluación de las prestaciones de nuevos mecanismos de control de acceso para hacer frente a las comunicaciones masivas M2M en redes celulares. Posteriormente nos ocupamos de la evaluación de prestaciones de redes multiservicio y proponemos una nueva técnica analítica que ofrece precisión y eficiencia computacional. Nuestro principal objetivo es proporcionar soluciones para aliviar la congestión en la red de acceso radio cuando un gran número de dispositivos M2M intentan conectarse a la red. Consideramos los siguientes tipos de escenarios: (i) los dispositivos M2M se conectan directamente a las estaciones base celulares, y (ii) forman grupos y los datos se envían a concentradores de tráfico (gateways) que les proporcionan acceso a la infraestructura. En el primer escenario, dado que el número de dispositivos añadidos a la red aumenta continuamente, esta debería ser capaz de manejar el considerable incremento en las solicitudes de acceso. El 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ha propuesto el access class barring (ACB) como una solución práctica para el control de congestión en la red de acceso radio y la red troncal. El ajuste correcto de los parámetros de ACB de acuerdo con la intensidad del tráfico es crítico, pero cómo hacerlo de forma dinámica y autónoma es un problema complejo cuya solución no está recogida en las especificaciones del 3GPP. Esta tesis doctoral contribuye al análisis del rendimiento y al diseño de nuevos algoritmos que implementen efectivamente este mecanismo, y así superar los desafíos introducidos por las comunicaciones masivas M2M. En el segundo escenario, dado que la heterogeneidad de los dispositivos IoT y las arquitecturas celulares basadas en hardware imponen desafíos aún mayores para permitir una comunicación flexible y eficiente en los sistemas inalámbricos 5G, esta tesis doctoral también contribuye al diseño de software-defined gateways (SD-GWs) en una nueva arquitectura propuesta para redes inalámbricas definidas por software que se denomina SoftAir. Esto permite manejar tanto un gran número de dispositivos como el volumen de datos que estarán vertiendo en la red. Otra contribución de esta tesis doctoral es la propuesta de una técnica novedosa para el análisis de prestaciones de redes multiservicio de alta capacidad que se basa en un nuevo enfoque del modelizado analítico de sistemas que operan a diferentes escalas temporales. Este enfoque utiliza el análisis del transitorio de una serie de subcadenas absorbentes y lo denominamos absorbing Markov chain approximation (AMCA). Nuestros resultados muestran que para un coste computacional dado, AMCA calcula los parámetros de prestaciones habituales de un sistema con mayor precisión, en comparación con los resultados obtenidos por otr / Nowadays, Internet of Things (IoT) is an essential technology for the upcoming generation of wireless systems. Connectivity is the foundation for IoT, and the type of access required will depend on the nature of the application. One of the leading facilitators of the IoT environment is machine-to-machine (M2M) communication, and particularly, its tremendous potential to offer ubiquitous connectivity among intelligent devices. Cellular networks are the natural choice for emerging IoT and M2M applications. A major challenge in cellular networks is to make the network capable of handling massive access scenarios in which myriad devices deploy M2M communications. On the other hand, cellular systems have seen a tremendous development in recent decades; they incorporate sophisticated technology and algorithms to offer a broad range of services. The modeling and performance analysis of these large multi-service networks is also a challenging task that might require high computational effort. To address the above challenges, we first concentrate on the design and performance evaluation of novel access control schemes to deal with massive M2M communications. Then, we focus on the performance evaluation of large multi-service networks and propose a novel analytical technique that features accuracy and computational efficiency. Our main objective is to provide solutions to ease the congestion in the radio access or core network when massive M2M devices try to connect to the network. We consider the following two types of scenarios: (i) massive M2M devices connect directly to cellular base stations, and (ii) they form clusters and the data is forwarded to gateways that provide them with access to the infrastructure. In the first scenario, as the number of devices added to the network is constantly increasing, the network should handle the considerable increment in access requests. Access class barring (ACB) is proposed by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) as a practical congestion control solution in the radio access and core network. The proper tuning of the ACB parameters according to the traffic intensity is critical, but how to do so dynamically and autonomously is a challenging task that has not been specified. Thus, this dissertation contributes to the performance analysis and optimal design of novel algorithms to implement effectively this barring scheme and overcome the challenges introduced by massive M2M communications. In the second scenario, since the heterogeneity of IoT devices and the hardware-based cellular architectures impose even greater challenges to enable flexible and efficient communication in 5G wireless systems, this dissertation also contributes to the design of software-defined gateways (SD-GWs) in a new architecture proposed for wireless software-defined networks called SoftAir. The deployment of these SD-GWs represents an alternative solution aiming at handling both a vast number of devices and the volume of data they will be pouring into the network. Another contribution of this dissertation is to propose a novel technique for the performance analysis of large multi-service networks. The underlying complexity of the network, particularly concerning its size and the ample range of configuration options, makes the solution of the analytical models computationally costly. However, a typical characteristic of these networks is that they support multiple types of traffic flows operating at different time-scales. This time-scale separation can be exploited to reduce considerably the computational cost associated to determine the key performance indicators. Thus, we propose a novel analytical modeling approach based on the transient regime analysis, that we name absorbing Markov chain approximation (AMCA). For a given computational cost, AMCA finds common performance indicators with greater accuracy, when compared to the results obtained by other approximate methods proposed in the literature. / En l'actualitat, la Internet de les Coses (Internet of Things, IoT) és una tecnologia essencial per a la propera generació de sistemes sense fil. La connectivitat és la base d'IoT, i el tipus d'accés requerit dependrà de la naturalesa de l'aplicació. Un dels principals facilitadors de l'entorn IoT és la comunicació machine-to-machine (M2M) i, en particular, el seu enorme potencial per oferir connectivitat ubiqua entre dispositius intel · ligents. Les xarxes mòbils són l'elecció natural per a les aplicacions emergents de IoT i M2M. Un desafiament important en les xarxes mòbils que actualment está rebent molta atenció és aconseguir que la xarxa siga capaç de gestionar escenaris d'accés massiu en què una gran quantitat de dispositius utilitzen comunicacions M2M. D'altra banda, els sistemes mòbils han experimentat un gran desenvolupament en les últimes dècades: incorporen tecnologia sofisticada i nous algoritmes per oferir una àmplia gamma de serveis. El modelatge i análisi del rendiment d'aquestes xarxes multiservei és també un desafiament important que podria requerir un gran esforç computacional. Per abordar els desafiaments anteriors, en aquesta tesi doctoral ens centrem en primer lloc en el disseny i l'avaluació de les prestacions de nous mecanismes de control d'accés per fer front a les comunicacions massives M2M en xarxes cel · lulars. Posteriorment ens ocupem de l'avaluació de prestacions de xarxes multiservei i proposem una nova tècnica analítica que ofereix precisió i eficiència computacional. El nostre principal objectiu és proporcionar solucions per a alleujar la congestió a la xarxa d'accés ràdio quan un gran nombre de dispositius M2M intenten connectar-se a la xarxa. Considerem els dos tipus d'escenaris següents: (i) els dispositius M2M es connecten directament a les estacions base cel · lulars, i (ii) formen grups i les dades s'envien a concentradors de trànsit (gateways) que els proporcionen accés a la infraestructura. En el primer escenari, atès que el nombre de dispositius afegits a la xarxa augmenta contínuament, aquesta hauria de ser capaç de gestionar el considerable increment en les sol · licituds d'accés. El 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ha proposat l'access class barring (ACB) com una solució pràctica per al control de congestió a la xarxa d'accès ràdio i la xarxa troncal. L'ajust correcte dels paràmetres d'ACB d'acord amb la intensitat del trànsit és crític, però com fer-ho de forma dinàmica i autònoma és un problema complex, la solució del qual no està recollida en les especificacions del 3GPP. Aquesta tesi doctoral contribueix a l'anàlisi del rendiment i al disseny de nous algoritmes que implementen efectivament aquest mecanisme, i així superar els desafiaments introduïts per les comunicacions massives M2M en les xarxes mòbils actuals i futures. En el segon escenari, atès que l'heterogeneïtat dels dispositius IoT i les arquitectures cel · lulars basades en hardware imposen desafiaments encara més grans per permetre una comunicació flexible i eficient en els sistemes sense fil 5G, aquesta tesi doctoral també contribueix al disseny de software-defined gateways (SD-GWS) en una nova arquitectura proposada per a xarxes sense fils definides per programari que s'anomena SoftAir. Això permet gestionar tant un gran nombre de dispositius com el volum de dades que estaran abocant a la xarxa. Una altra contribució d'aquesta tesi doctoral és la proposta d'una tècnica innovadora per a l'anàlisi de prestacions de xarxes multiservei d'alta capacitat que es basa en un nou enfocament del modelitzat analític de sistemes que operen a diferents escales temporals. Aquest enfocament utilitza l'anàlisi del transitori d'una sèrie de subcadenes absorbents i l'anomenem absorbing Markov chain Approximation (AMCA). Els nostres resultats mostren que per a un cost computacional donat, AMCA calcula els paràmetres de prestacions habituals d / Tello Oquendo, LP. (2018). Design and Performance Analysis of Access Control Mechanisms for Massive Machine-to-Machine Communications in Wireless Cellular Networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107946