Routage géographique multi-chemin basé sur l’intelligence d’essaim pour réseaux de capteurs et d’actionneurs sans fil : Application aux Smart Grids

The Smart Grid concept should play a key role in the quest for better managementof electrical energy in the global energy situation increasingly critical. By bringingtogether the resources connected to the conventional power grid and communicationsinfrastructure, the Smart Grid enables intelligent management of electrical energy. Theimplementation of Smart Grids should lead the implementation of a communicationinfrastructure for data exchange between the various entities connected to these networks.This thesis is positioned in the context of wireless sensors and actuators networksin smart grids. Through this work, we have proposed a data routing protocol for thecommunication network to the distribution network level. First, we proposed a newgeographical routing protocol based on swarm intelligence for wireless sensors andactuators networks. The protocol uses the geographic routing as a main data routingmechanism, and uses a recovery mechanism based on ant colony optimization to bypasscommunication voids and to create multi-way around these voids. The protocol performancewas validated through simulations. By comparing the results to the state ofthe art, the proposed protocol improve network performances in terms of data deliveryrate, end-to-end delay and delivery cost. Secondly, we proposed the use of the protocolproposed as the routing protocol in wireless neighborhood area networks (NANs) SmartGrid. The proposed protocol ensures all communication paradigm types, especiallyPoint-to-Point communication while providing scalability and self-healing capabilities.The feasibility and applicability of the protocol in NANs was confirmed throughsimulations using parameters defined by NIST (National Institute of Standards andTechnology) to validate the proposed solutions for the smart grid. Finally, we focusedon the qualities of service (QoS) required by applications and services using NAN. Wehave thus added a QoS model to the proposed routing protocol to take account of NAN’scommunication requirements. The performance of the new protocol was validatedthrough simulations. The results showed that the protocol can satisfy the most severerequirements in terms of reliability and end-to-end delay.Le concept de Smart Grid devrait jouer un rôle primordial dans la quête d’une meilleuregestion de l’énergie électrique dans un contexte énergétique mondial de plus en pluscritique. En rassemblant les ressources connectées au réseau électrique conventionnelet une infrastructure de communication, le Smart Grid permet une gestion intelligentede l’énergie électrique. La mise en oeuvre des Smart Grids devrait engendrer la mise enplace d’une infrastructure de communication permettant l’échange des données entreles différentes entités connectées à ces réseaux. Cette thèse se positionne dans le contextedes réseaux de capteurs et d’actionneurs sans fils appliqués dans les réseaux d’électricitéintelligents. A travers cette thèse, nous avons proposé un protocole de routage desdonnées sur le réseau de communication au niveau réseau de distribution. Dans unpremier temps, nous avons proposé un nouveau protocole de routage géographiquebasé sur l’intelligence d’essaim pour les réseaux de capteurs et d’actionneurs sans fil.Le protocole utilise le routage géographique comme mécanisme principal de routagede données, et utilise un mécanisme basé sur l’optimisation par colonies de fourmispour contourner les vides de communication et créer du multi-chemin autour de ceszones vides. Les performances du protocole ont été validées à travers des simulations.En comparant les résultats à l’état de l’art, le protocole proposé permet d’améliorerles performances du réseau en termes de taux de livraison des données, temps deréception des données et coût de livraison. Dans un second temps, nous avons proposél’utilisation du protocole proposé comme protocole de routage dans les réseaux devoisinages (NAN) sans fil du Smart Grid. Le protocole proposé permet d’assurer tousles types de paradigme de communication, en particulier la communication Point-à-Point tout en offrant une évolutivité et des capacités d’auto-guérison. La faisabilité etl’applicabilité du protocole dans les NANs a été confirmée à travers des simulations,en utilisant des paramètres définis par le NIST (National Institute of Standards andTechnology), pour valider les solutions proposées pour le Smart Grid. Enfin, dansun troisième temps, nous nous sommes concentrés sur les qualités de service (QoS)requises par les applications et services utilisant le NAN. Nous avons, ainsi, ajouté unmodèle de QoS au protocole de routage proposé pour tenir compte de ces exigences.Les performances du nouveau protocole ont été validées à travers des simulations.Les résultats ont montré que le protocole permet de satisfaire les exigences les pluscontraintes en termes de fiabilité et de délai de réception des donnée

ALLOCATION CONJOINTE DES CANAUX DE FREQUENCE ET DES CRENEAUX DE TEMPS ET ROUTAGE AVEC QdS DANS LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL DENSES ET ETENDUS

The general context of the present memory is about the cross-layer optimization of wire- less sensors networks based on ultra wide band technology UWB. The proposed solutions en- sure the share and the efficient allocation of spectral and temporal resources, the optimization of the energy consumption and the support of multi-constraints quality of services QoS. The most challenging issue is providing a tradeoff between the resource efficiency and the multi- constrained QoS support. For this purpose, we proposed a new Wireless Hospital Sensor Net- work (WHSN) three-tiered architecture in order to support large-scale deployment and to im- prove the network performance. Then we designed a channel allocation scheme (UWBCAS,) and a prioritized multi-channel multi-time slot MAC protocol (PMCMTP) to enhance network performance and maximize the resource utilization. Finally, we proposed a joint duty cycle scheduling, resource allocation and multi-constrained QoS routing algorithm (JSAR) which simultaneously combines, a duty cycle scheduling scheme for energy saving, a resource al- location scheme for efficient use of frequency channels and time slots, and an heuristic for multi-constrained routing protocol.Le thème général du sujet tourne autour de l’optimisation inter-couche des réseaux de cap- teurs basés sur la technologie ultra large bande ULB (UWB, Ultra Wide Band) moyennant des solutions protocolaires permettant d’un côté de répondre au besoin de qualité de service QdS à critères multiples dans les réseaux de capteurs sans fil et d’autre côté d’assurer le partage et l’alllocation efficace les ressources disponibles (spectrale et temporelle) ainsi que l’optimisation de la consommation d’énergie dans des tels réseaux. Le domaine d’application cible choisi dans le présent travail est les systèmes de suivi des patients au sein d’un réseau de capteurs déployé en hôpital intelligent (WHSN, Large-scale Wireless Hospital Sensor Network). Dans ce contexte, nous avons proposé le modèle UWBCAS pour assurer le partage des ressources spectrales entre les PANs. Puis, nous avons conçu et implémenté un protocole MAC multi-canal multi-créneau de temps avec support de qualité de service, PMCMTP, pour assurer une allocation conjointe des canaux de fréquence et des créneaux de temps au sein de chaque réseau PAN. Enfin nous avons proposé l’algorithme JSAR qui traite à la fois les problèmes d’ordonnancement des cycles d’activités des membres du réseau dans le but d’optimiser la consommation d’énergie, d’allocation efficace des canaux de fréquence et des créneaux de temps afin d’améliorer le taux d’utilisation des ressources et les performances du réseau et de routage avec support de QdS à critères multiples afin de répondre aux besoins des applications supportées

Architecture et services pour la distribution de charge dans les systèmes distribués objet

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal

Approches d'optimisation et de personnalisation des réseaux sur puce (NoC : Networks on Chip)

Systems-on-chip (SoC) have become more and more complex due to the development of integrated circuit technology.Recent studies have shown that in order to improve the performance of a specific SoC application domain, the on-chipinter-connects (OCI) architecture must be customized at design-time or at run-time. Related approaches generallyprovide application-specific SoCs tailored to specific applications. The aim of this thesis is to carry out new approachesfor Network-on-Chip (NoC) and study their performances, especially in terms of latency, throughput, energyconsumption and simplicity of implementation.We have proposed an approach to allow designers to customize a candidate OCI architecture by adding strategiclinks in order to match large application workload. The analytical evaluation focuses on improving the physicalparameters of the NoC topology regardless of the application that should run on. The evaluation by simulationfocuses to evaluate the communication performances of the NoC. Simulations results show the effectiveness ofthis approach to improve the NoC performances. We have also introduced a compartmental Fluid-flow basedmodeling approach to allocate required resource for each buffer based on the application traffic pattern. Simulationsare conducted and results show the efficiency of this modeling method for a buffer space optimized allocation.Finally, we proposed a joint approach based on a system dynamics theory for evaluating the performance of a flowcontrol algorithm in NoCs. This algorithm allows NoC elements to dynamically adjust their inflow by using afeedback control-based mechanism. Analytical and simulation results showed the viability of this mechanism forcongestion avoidance in NoCs.Les systèmes embarqués sur puce (SoC : Systems-on-Chip) sont devenus de plus en plus complexes grâce à l’évolution de la technologie des circuits intégrés. Des études récentes ont montré que pour améliorer les performances du réseau su puce (NoC : Network-on-Chip), l’architecture de celui-ci pouvait être personnalisée, soit au moment de la conception, soit au moment de l’exécution. L’objectif principal de cette thèse est d’implémenter de nouvelles approches pour améliorer les performances des NoCs, notamment la latence, le débit, la consommation d’énergie, et la simplicité de mise en œuvre.Nous avons proposé une approche pour permettre aux concepteurs de personnaliser l'architecture d’un NoC par insertion de liens stratégiques, pour qu’elle soit adaptée à de nombreuses applications, sous la contrainte d’un budget limité en termes de nombre de liens. L’évaluation analytique porte sur l’amélioration des paramètres physiques de la topologie du NoC sans tenir compte de l’application qui devrait s’exécuter dessus. L’évaluation par simulation porte sur l’évaluation des performances de communication du NoC. Les résultats de simulations montrent l’efficacité de notre approche pour améliorer les performances du NoC. Nous avons également introduit une approche de modélisation par réseau à compartiments pour allouer les ressources nécessaires pour chaque tampon selon le modèle de trafic de l'application cible. Les résultats de simulations montrent l'efficacité de cette approche de modélisation pour l’allocation optimisée de l'espace tampon. Enfin, nous avons proposé une approche conjointe basée sur la théorie des systèmes dynamiques pour évaluer la performance d'un algorithme de contrôle de flux dans les NoCs. Cet algorithme permet aux éléments du NoC d’ajuster dynamiquement leur entrée en utilisant un mécanisme basé sur le contrôle de flux par rétroaction. Les résultats d’évaluations analytiques et de simulation montrent la viabilité de ce mécanisme pour éviter la congestion dans les NoCs

Un cadriciel pour une surveillance adaptative de réseaux et systèmes complexes

L'objectif des travaux présentés dans ce mémoire est de proposer une solution logicielle (cadriciel) apte à supporter l'automatisation de l'adaptation d'une activité de surveillance. Une telle adaptation résulte en une modification de la manière de surveiller. Ainsi, il est nécessaire de définir un plan de contrôle visant à gérer l'ensemble des mécanismes sous-jacents utilisés pour surveiller effectivement le système géré. Afin d'apporter une réponse logicielle la plus générique, modulaire et réutilisable possible, nous avons identifié trois capacités à partir desquelles a été architecturé le cadriciel proposé : la configurabilité : la capacité d'initialiser et de modifier dynamiquement et sans interruption la portée et les valeurs des paramètres gouvernant le comportement des mécanismes de surveillance (par exemple polling ou event reporting), l'adaptabilité : la capacité de modifier dynamiquement et sans interruption le comportement d'une activité de surveillance, donc d'exécuter l'adaptation de la surveillance, la gouvernabilité : la capacité de détecter un besoin d'adaptation et de déclencher cette adaptation des mécanismes de surveillance. Chacune de ces couches du cadriciel a été conceptualisée, puis implémentée, testée et évaluée. Notre approche, ses modèles et leur formalisation sont indépendants de tout environnement technologique.The objective of the work reported in this thesis is to propose a software framework able to support the automation of a monitoring activity adaptation. Such an adaptation results in a modification of the way to monitor. Consequently, it is required to define a control plane able to manage the set of the underlying monitoring mechanisms. With the concern to propose a solution both the most generic, modular and reusable as possible, we have identified three properties from which has been designed the architecture of the proposed framework : configurability is the ability to initiate and then to modify at runtime without disruption both the scope and the parameters that govern the behavior of the monitoring mechanisms (for example polling or event reporting), adaptability is the ability to dynamically modify the behavior of a complete monitoring activity, thus allowing the achievement of an adaptation, governability is the ability to detect an adaptation requirement and to trigger the enforcement of the monitoring activity adaptation. Each of these three layers of the framework has been designed, implemented, tested and evaluated. Our approach, its models and their formalization are independent of any technological environment