Abstract

The Internet of Things (IoT) is already providing solutions to various tasks related to monitoring the environment and controlling devices over wired and wireless networks. It is estimated by several well-known research facilities that the number of IoT devices will be in the order of tens of billions by 2020. This inevitably brings challenges and costs in deployment, management, and maintenance of networks. The focus of this thesis is to provide solutions that mainly help in the deployment and maintenance of various wireless IoT networks.

Different applications have different requirements for a wireless link coverage. It is important to utilize suitable radio technology for a particular application in order, e.g., to maximize the lifetime of a device. A wireless body area network (WBAN) typically consists of devices that are within couple of meters from each other. The WBAN is suitable for, e.g., measuring muscle activity and transferring data to a storage for processing. The wireless link can use air as a medium, or alternatively, an induced electric field to a body can be used. In this thesis, it is shown that a location of the electrodes in the body have impact to the attenuation.

Home automation IoT applications are typically implemented with mid-range wireless technologies, known as wireless personal area networks (WPAN). In order to minimize and get rid of battery change operations, a wake-up receiver could be utilized in order to improve the device’s energy efficiency. The concept is introduced and performance of the current state-of-the-art works are presented. In addition, a control loop enabling a passive device to have control over an energy source is proposed. Applications that have low bandwidth requirements can be implemented with low-power wide area networks (LPWAN). One technology — LoRaWAN — is evaluated, and it is recommended as based on the results to use it in non-critical applications.

Tiivistelmä

Esineiden internet (Internet of Things, IoT) mahdollistaa jo laajan kirjon erilaisia ratkaisuja ympäristön monitorointiin ja laitteiden hallintaan hyödyntäen sekä langattomia että langallisia verkkoja. Usea hyvin tunnettu tutkimusorganisaatio on arvioinut, että vuonna 2020 IoT laitteiden määrä tulee olemaan kymmenissä miljardeissa. Se luo väistämättä haasteita laitteiden sijoittamisessa, hallinnassa ja kunnossapidossa. Tämä väitöskirja keskittyy tarjoamaan ratkaisuja, jotka voivat helpottaa langattomien IoT laitteiden sijoittamisessa ja kunnossapidossa.

IoT sovellusten laaja kirjo vaatii erilaisia langattomia radioteknologioita, jotta sovellukset voitaisiin toteuttaa, muun muassa, mahdollisimman energiatehokkaasti. Langattomassa kehoverkossa (wireless body area network, WBAN) käytetään usein hyvin lyhyitä langattomia linkkejä. WBAN on soveltuva esimerkiksi lihasten aktiivisuus mittauksessa ja mittaustiedon siirtämisessä talteen varastointia ja prosessointia varten. Linkki voidaan toteuttaa käyttäen ilmaa rajapintana, tai vaihtoehtoisesti, kehoa. Tässä työssä on näytetty, että käytettäessä kehoa siirtotienä, elektrodien sijainnilla on merkitystä signaalin vaimennuksen kannalta.

Kotiautomaatio IoT sovellukset ovat tyypillisesti toteutettu käyttäen langatonta likiverkkoa, jossa linkin pituus sisätiloissa on alle 30 metriä. Jotta päästäisiin eroon pariston vaihto-operaatiosta tai ainakin vähennettyä niiden määrää, herätevastaanotinta käyttämällä olisi mahdollista parantaa laitteiden energiatehokkuutta. Herätevastaanotin konsepti ja tämänhetkistä huipputasoa edustavien vastaanottimien suorituskyky ovat esitetty. Lisäksi, on ehdotettu menetelmä joka takaa energian saannin passiiviselle IoT laitteelle. IoT sovellukset jotka tyytyvät vähäiseen kaistanleveyteen voidaan toteuttaa matalatehoisella laajan alueen verkolla (low-power wide area network, LPWAN). Yhden LPWAN teknologian, nimeltään LoRaWAN, suorituskykyä on evaluoitu. Tulosten perusteella suositus on hyödyntää kyseistä teknologiaa ei-kriittisissä sovelluksissa.