From Contact Tracing to Coordination : Autonomy for Mobile Low-Power IoT Systems

With the rapid proliferation of the Internet of Things (IoT), low-power, connected devices have become ubiquitous due to their versatility, low cost, and ease of integration into larger systems. These devices enable new applications across domains, offering decentralized and resilient solutions even when traditional infrastructure may fail, such as during natural disasters.
This thesis addresses the challenges posed by resource constraints, mobility, and decentralized operation by devising and evaluating tailored wireless protocols that enable autonomy in mobile and low-power IoT systems.
Leveraging Bluetooth Low Energy technology, this work conceives and evaluates scalable, decentralized systems for Contact Tracing and Opportunistic Data Exchange that run on low-power devices. These protocols ensure data exchange and collaborative operation without reliance on cloud infrastructure, proving especially valuable during infrastructure failures. Moreover, this thesis presents advancements in precise Ultra-Wideband ranging to support accurate localization for indoor navigation and collaborative robotics. Additionally, this work introduces a decentralized coordination protocol built on Synchronous Transmissions and IEEE 802.15.4 radios, designed for safe and efficient operation in unreliable wireless environments.
Overall, the solutions presented demonstrate the untapped potential of low-power IoT systems, enabling decentralized, autonomous operation despite constraints and mobility. This thesis contributes to a future where low-power devices are not only central to everyday applications but also pivotal in emergency and disaster scenarios where robust, resilient, and collaborative systems are required.

Kleine, vernetzte Geräte  sind mit dem Internet der Dinge (IoT) allgegenwärtig geworden. Ihr geringer Stromverbrauch und die geringen Kosten erlauben einen vielseitigen Einsatz über verschiedene Einsatzbereiche hinweg. Besonders die Fähigkeit der drahtlosen Kommunikation erlaubt neue dezentrale und robuste Protokolle, die selbst dann operieren, wenn bestehende Infrastruktur, z.B. durch Naturkatastrophen, ausfällt. Diese Arbeit befasst sich mit den Herausforderungen, die sich aus Ressourcenbeschränkungen, Mobilität und dezentralem Betrieb ergeben.
Durch die Entwicklung und Evaluation von maßgeschneiderten, drahtlosen Protokolle,
untersucht und erweitert diese Arbeit die Autonomie in mobilen und stromsparenden IoT-Systemen.
Unter Nutzung von Bluetooth Low Energy werden in dieser Arbeit skalierbare, dezentrale Systeme für die Kontaktverfolgung und den opportunistischen Datenaustausch präsentiert, die auf Geräten mit geringem Stromverbrauch laufen. Die Protokolle gewährleisten den Austausch und die Zusammenarbeit, ohne auf eine Infrastruktur angewiesen zu sein. Darüber hinaus untersucht diese Arbeit die präzise Distanzmessung mittels Ultrabreitband, um eine genaue Lokalisierung für die Navigation in Innenräumen und kollaborative Robotikanwendungen zu ermöglichen. Zusätzlich wird in dieser Arbeit ein dezentrales Koordinationsprotokoll vorgestellt. Basierend auf synchronen Übertragungen mittels IEEE 802.15.4 Radios sorgt dieses für eine verlässliche Koordination in unzuverlässigen drahtlosen Umgebungen.
Insgesamt zeigen die vorgestellten Lösungen, wie Protokolle für IoT-Systeme trotz Einschränkungen und Mobilität einen dezentralen, autonomen Betrieb ermöglichen. 

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