Αυτοοργανούμενα δίκτυα LPWAN και 5G για την υποστήριξη αυτοματοποιημένων διαδικασιών για υπηρεσίες έξυπνης πόλης

Τρίγκας, Αθανάσιος

Ad-hoc LPWAN and 5G networks for the support of automated smart-city applications

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Τρίγκας, Αθανάσιος

Date

2023-02-28

Advisor

Παπαγέωργας, Παναγιώτης

MCRES-0055_Αυτοοργανούμενα δίκτυα LPWAN και 5G για την υποστήριξη αυτοματοποιημένων διαδικασιών για υπηρεσίες Έξυπνης Πόλης.pdf (7.586Mb)

Keywords

5G ; LPWAΝ ; MQTT ; NB-IoT ; SIM7000 ; TLS/SSL ; V2V ; WSN ; EWS ; OMNeT++ ; Έξυπνες πόλεις ; Wireless sensor networks ; Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία μελετάει την υλοποίηση δικτύων LPWAN και 5G για την υποστήριξη αυτοματοποιημένων διαδικασιών έξυπνης πόλης. Παρουσιάζονται οι ανάγκες μίας πόλης οι οποίες μπορούν να εξυπηρετηθούν από αυτές τις τηλεπικοινωνιακές τεχνολογίες, στην συνέχεια οι τεχνολογίες αυτές μελετώνται με σκοπό να προσδιορισθεί η χρηστικότητά τους σε περιβάλλον πόλης. Οι τεχνολογίες LPWAN βασίζονται σε μικρά πακέτα δεδομένων με σκοπό να παρέχουν ευρεία τηλεπικοινωνιακή κάλυψη με μικρές ενεργειακές απαιτήσεις και μικρό κόστος. Τα χαρακτηριστικά αυτά τις θέτουν ιδανικές για την ανάπτυξη εφαρμογών βασισμένες σε δίκτυα ασύρματων αισθητήρων (Wireless Sensor Network, WSN) στο πεδίο μίας πόλης. Ειδικότερα, σε σημεία στα οποία η παροχή τροφοδοσίας είναι δύσκολη. Εκτός αυτού, η ασφάλεια των δεδομένων των αισθητηρίων κόμβων είναι ένα κρίσιμο σημείο το οποίο αξίζει να σταθούμε σε ένα πολυπληθές περιβάλλον όπως μία πόλη. Το 5G είναι η πέμπτη γενιά κινητής τηλεφωνίας, η οποία με καινοτόμες τεχνολογίες έρχεται να εξελιχθεί από την υπάρχουσα τέταρτη γενιά (4G) με ρυθμούς δεδομένων μεγαλύτερων του 1 Gbps και παρέχοντας συνδεσιμότητα παντού και πάντα. Με τα δίκτυα 5G, γίνεται εφικτή η απομακρυσμένη μετάδοση μεγάλου όγκου δεδομένων με μικρή καθυστέρηση άρα και την ανάπτυξη σχετικών εφαρμογών στο πεδίο της πόλης. Οι εφαρμογές τέτοιου τύπου θα έχουν αρκετές ενεργειακές απαιτήσεις, ωστόσο η συνδεσιμότητα παντού και πάντα του 5G προτείνεται να προσφέρει λύσεις και στο πεδίο των ασύρματων αισθητήρων προσφέροντας εύκολη και έγκυρη σύνδεση στο δίκτυο. Λαμβάνοντας υπόψιν τα παραπάνω, αξιολογούμε τις παραπάνω τεχνολογίες προσομοιώνοντάς τες σε σενάρια τα οποία μπορούν να αντιπροσωπεύουν πραγματικές υλοποιήσεις σε μία πόλη. Τέτοια σενάρια είναι η επικοινωνία Vehicle-to-vehicle (V2V) με την χρήση 5G σταθμών καθώς και ένα Early Warning System (EWS) σενάριο βασισμένο στην τεχνολογία LPWAN NB-IoT. Τέλος υλοποιείται και παρουσιάζεται κόμβος NB-IoT ο οποίος επικοινωνεί μετρήσεις αισθητηρίων μέσω του καινοτόμου πρωτοκόλλου MQTT το οποίο συνιστάται για λειτουργίες IoT. O κόμβος χρησιμοποιεί επίσης κρυπτογράφηση βασισμένη σε SSL/TLS για να εγγυηθεί την ασφάλεια των δεδομένων.

Abstract

This thesis studies the implementation of LPWAN and 5G networking technologies to support automated smart city applications. The applications of a city that can be served by these telecommunication technologies are presented, then these technologies are studied in order to determine their usability in a city environment. Modern LPWAN technologies are based on small data packets in order to provide wide telecommunication coverage with low energy requirements and low monetary cost. These characteristics make them ideal for the development of applications based on wireless sensor networks (Wireless Sensor Networks, WSN) in the sphere of a city. In particular, in places where power supply is difficult. Besides, the data security of the sensor nodes is a critical point that should be considered in a crowded environment such as a city. 5G is the fifth generation of mobile telephony, which features innovative technologies in order to evolve from the existing fourth generation (4G). 5G promises data rates greater than 1 Gbps and to provide connectivity everywhere and always. 5G networks open the possibility for transmission of large volumes of data with little latency, and thus the development of relevant applications in the field of the city. Although, 5G applications will have several energy requirements, the «everywhere and always» connectivity of 5G is proposed to offer solutions in the field of WSN as well, offering an easy and validated connection to the network. Considering the above, we evaluate these technologies by simulating them in case studies that can represent real-city implementations. Such studies are Vehicle-to-vehicle (V2V) communication using 5G stations as well as an Early Warning System (EWS) based on the LPWAN NB-IoT technology. Finally, an NB-IoT node is developed which communicates sensor measurements via the innovative application-layer MQTT protocol, recommended for IoT applications. The node also uses SSL/TLS-based encryption to guarantee data security.