Contribution au déploiement optimisé des réseaux de capteurs sans fil

National audienceLes réseaux de capteurs sans fil (RCSF) sont un domaine de recherche en évolution continue avec une multitude de contextes d'application. Le déploiement des noeuds capteurs est une phase décisive qui influe considérablement sur le fonctionnement et la performance du réseau. Dans ce papier, nous nous intéressons à étudier le positionnement et le placement des noeuds capteurs dans un RCSF. Nous présentons tout d'abord la problématique de déploiement et nous détaillons ensuite les travaux de recherche les plus récents qui concernent les méthodologies de résolution de cette problématique

Utilisation de l'échantillonnage compressif pour la détection des véhicules par un réseau de capteurs sans fil

Une nouvelle technique pour étudier le trafic routier, est la détection des véhicules par un réseau de capteurs sans fil installés dans la chaussée. Cette technologie se distingue de la plupart des systèmes classiques de détection de véhicules par son faible coût, son niveau élevé de flexibilité dans la configuration, sa multifonctionnalité par l'ajout d'autres modalités de détection et sa capacité à transmettre les informations via un réseau sans fil. Cependant, quand un capteur sans fil effectue l'acquisition du signal de champ magnétique terrestre dans l'optique de détecter le passage des véhicules, il l'échantillonne à une certaine fréquence, afin de ne pas rater le passage d'un véhicule. Lorsque la séquence de mesure dure plusieurs heures et qu'on a des dizaines ou des centaines de capteurs sans fil installés dans la chaussée, on se retrouve rapidement avec des données à stocker et à traiter qui peuvent être de taille importante. En outre, les communications sans fil de ces données sont très coûteuses en énergie et réduisent ainsi la durée de vie du capteur sans fil qui dispose des ressources limitées en énergie. Le compressive sensing (échantillonnage compressif), nouvelle méthode d'échantillonnage des signaux, tente justement de donner des solutions à ces problèmes, en réduisant significativement le nombre de mesures nécessaires et en utilisant par la suite des algorithmes d'optimisation convexe pour reconstruire tout le signal sans trop de perte perceptuel [i.e. perceptuelle]. À travers des simulations effectuées sur des signaux enregistrés par les capteurs sans fil de la compagnie allemande Coalesenses , nous montrons dans ce projet de recherche que l'échantillonnage compressif peut contribuer à maximiser considérablement la durée de vie d'un réseau de capteurs sans fil

Simulation d'un réseau sans fil d'intérieur et des algorithmes NSGA-II et NSGA-III modifiés pour la résolution de la problématique de couverture et de localisation 3D

Par rapport au déploiement bidimensionnel, le déploiement tridimensionnel des réseaux de capteurs est plus complexe en raison de sa capacité à satisfaire plus de contraintes imposées par les problèmes de déploiement réels. Dans cet article, nous étudions la problématique de positionnement 3D des noeuds, tout en minimisant le nombre de noeuds, maximisant la zone de couverture et le taux de localisation hybride basée sur le protocole 3D DV-HOP et le RSSI. Nous cherchons à résoudre notre problématique en choisissant les emplacements 3D idéaux pour ajouter des noeuds nomades en optimisant les objectifs cités. Une approche basée sur des algorithmes génétiques est proposée pour résoudre notre problématique. Des variantes d'algorithmes génétiques basés sur l'algorithme NSGA-II [1] et le récent algorithme NSGA-III [2] sont proposées. En outre, un ensemble d'opérateurs de mutation est appliqué sur ces algorithmes génétiques soit aléatoirement, soit de façon adaptative. Les simulations se basent sur deux scénarios (à petit et à grand échelle) selon le nombre de noeuds déployés. Le modèle de simulation prend en considération l'implémentation d'une couche physique à 433 Mhz, une couche liaison de données de type CSMA/CA non coordonné inspiré de celui présent dans la norme IEEE 802.15.4 , et une couche routage basée sur le protocole AODV réactif. Les résultats numériques obtenus à partir des simulations avec Omnetpp [3] à petit et à grand échelle, sont présentés pour se comparer par rapport à nos expérimentations [4] et pour prouver l'efficacité de l'approche proposée et des algorithmes proposés

Conservation de l'énergie sur des environnements de réseaux d'accès radio hétérogènes : vers des réseaux auto-organisants et verts

Since the last decades, environmental issues are becoming among the major concerns for most human activities, including the Information and Communication Technologies sector. This will surely influence upcoming networking technologies, architectures and usage practices. New approaches and methodologies are required in order to evaluate and to reduce the Carbon Footprint toward what is commonly denoted as Green Networks. Within the ICT sector, the main efforts are related to energy saving techniques. These efforts started in early stages within wireless technologies, mainly because of energy limitations on mobile devices such as mobile phones and wireless sensors. Additionally, because of health considerations, standardization bodies and government had set stringent policies and limits on electromagnetic radiation levels that can be emitted by radio stations. For these reasons, many academic and industrial research and development activities had led to a number of relatively energy efficient solutions. In this thesis, we consider energy efficiency in the context of Heterogeneous Wireless Access Networks. These are composed of multi-standards wireless network solutions, with non uniform topologies and cell sizes and Multi-Modal mobile terminals able to manage simultaneously different connections. The main contributions of our studies include the proposal of new optimization solutions regarding user association and scheduling techniques at both flow and packet levels for multi-homed mobile terminals. An overall context-based solution is also proposed in order to provide end-to-end energy efficient networking solutionsLa préservation de l’environnement et des ressources naturelles pour les prochaines générations est aujourd’hui considérée comme un des axes les plus prioritaires dans presque tous les secteurs économiques. Le secteur des Technologies de l’Information et de la Communication est loin d’être épargné de cette tendance écologique. Nous considérons dans cette thèse la problématique de la conservation d’énergie dans le contexte technologique actuel caractérisé par: •La coexistence d’une multitude de technologies d’accès sans fil offrant un environnement riche et dynamique • Des terminaux mobiles multimodaux • Limitations persistantes des sources d’énergie sur les terminaux mobiles. Dans ce contexte très riche, les possibilités offertes aux usagers sont à double tranchant. D’un côté, elles peuvent très bien améliorer la QoS en offrant toujours la meilleure connectivité en fonction du contexte de l’utilisateur. D’un autre côté, et sans une bonne optimisation de la consommation d’énergie sur le terminal, la disponibilité de celui-ci peut vite diminuer et donc faire baisser la QoE à cause de l’énergie nécessaire pour gérer plusieurs interfaces radio en parallèle. Nous considérons essentiellement les liens entre les stations de base (ou les point d’accès) et les terminaux mobiles. Notre objectif étant d’analyser la consommation d’énergie sur ces liens pour ensuite proposer des contributions permettant de mieux la maitriser. Nous focalisons essentiellement sur l’exploitation des multiples interfaces et du multi-flux pour étudier, analyser et proposer des solutions dynamiques et adaptatives d’ordonnancement, de sélection et de gestion d’interfaces minimisant la consommation d’énergi

Techniques de conservation de l'énergie dans les réseaux de capteurs mobiles : découverte de voisinage et routage

The challenge of energy consumption in wireless sensor networks is a key issue that remains an open problem. This thesis relates to the problem of energy conservation in sensor networks and is divided into two parts. In the first part, we discuss the design of neighbor discovery protocols. We propose two techniques for modulating these protocols in order to optimize the energy consumption of sensor nodes. The first technique, PPM-BM aims to modulate the neighbor discovery protocol based on the battery level of the node. The second approach ECoND aims to set up the frequency of neighbor discovery based on estimated connectivity. This technique takes advantage of the temporal cycles of nodes' movement patterns. Connectivity is estimated based on encounters' history. A neighbor discovery is set up based on the estimated rate of connectivity. The achieved results demonstrate the effectiveness of these techniques in optimizing the energy consumption of nodes while maintaining acceptable message delivery and overhead rates. In the second part of the thesis, we contribute to the optimization of the performance of sensor networks in terms of network lifetime. We review in this section some routing protocols for networks with intermittent connectivity and we propose EXLIOSE protocol which is based on residual energy to ensure energy-balancing, load sharing and network lifetime extendingLe challenge de la consommation d'énergie dans les réseaux de capteurs sans fil constitue un verrou technologique qui reste un problème ouvert encore aujourd'hui. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans la problématique de la conservation de l'énergie dans les réseaux de capteurs et s'articulent autour de deux axes. Dans la première partie, nous abordons le dimensionnement des protocoles de découverte de voisinage. Nous proposons deux techniques de dimensionnement de ces protocoles qui visent à optimiser la consommation d'énergie des nœuds capteurs. La première technique, PPM-BM, consiste à dimensionner le protocole de découverte de voisins en fonction du niveau de batterie du nœud. La deuxième approche, ECoND, vise à ajuster la fréquence de découverte de voisins en fonction de la connectivité estimée à chaque instant. Cette technique tire profit des cycles temporels des modèles de mouvement des nœuds. La connectivité est estimée en se basant sur l'historique des rencontres. La découverte de voisins est ajustée en fonction du taux de connectivité estimé. Les résultats enregistrés mettent en évidence l'efficacité de ces deux techniques dans l'optimisation de la consommation d'énergie des nœuds sans affecter les performances de taux de livraison de messages et d'overhead. La deuxième partie de la thèse concerne l'optimisation des performances des réseaux de capteurs en termes de durée de vie. Nous reconsidérons dans cette partie certains protocoles de routage relevant du domaine des réseaux à connectivité intermittente et nous proposons le protocole EXLIOSE qui se base sur la capacité d'énergie résiduelle au niveau des nœuds pour assurer un équilibre énergétique, partager la charge et étendre à la fois la durée de vie des nœuds ainsi que celle du résea

Techniques de conservation d'énergie pour les réseaux de capteurs sans fil

Les progrès technologiques réalisés ces dernières années ont permis le développement de nouveaux types de capteurs dotés de moyens de communication sans fil, peu onéreux et pouvant être configurés pour former des réseaux autonomes. Les domaines d'application sont nombreux : domotique, santé, domaine militaire ou bien encore surveillance de phénomènes environnementaux. Les limites imposées sont la limitation des capacités de traitement, de stockage et surtout d'énergie. La liberté laissée à l'implantation est forte et impose de concevoir complètement l'infrastructure, les mécanismes et les protocoles en fonction de l'application visée. Dans cette thèse, nous nous sommes tout d'abord focalisés sur des réseaux de petites tailles. Nous avons conçu une solution protocolaire "Placide" pour le suivi de la chaîne du froid proposée dans le cadre du projet ANR-CAPTEURS. L'originalité première de la solution repose sur l'absence d'infrastructure et de Station de Base. Elle est composée de protocoles performants fondés sur la formation d'un anneau virtuel entre les noeuds, auto-organisants et très économes en énergie. Le second axe est dédié à une étude expérimentale de la qualité du lien.L'objectif est double. Nous souhaitions tout d'abord étayer certaines hypothèses effectuées dans la première partie du travail. Il s'agissait ensuite de proposer des protocoles et des algorithmes fondés sur la qualité du lien. Nous nous sommes focalisés sur la variation de la qualité du lien en fonction de la distance entre les noeuds et de la puissance de transmission. Par la suite, l'impact de la qualité du lien sur la topologie du réseau a été étudiée. Les retours d'expérience sont importants quant à la compréhension des facteurs affectant la durée de vie du réseau. La dernière contribution concerne l'exploitation de ces observations en proposant des stratégies de partage decharge. Notre idée est que des protocoles très réduits et des mécanismes simples peuvent être mis en oeuvre pour le routage. Nous illustrons ces principes au travers d'exemples pour lesquels nous montrons la supériorité de ces solutions par rapport à des routages de type plus court chemin. ABSTRACT : Technological advances during the last few years allowed the development of new and cheap sensors equiped with wireless communication which can be configured to form autonomous networks. The application areas for wireless sensor networks (WSN) are various: home automations, health care services, military domain, and environment monitoring. The imposed constraints are limited capacity of processing, storage, and especially energy. In addition, implementing WSN solutions is highly open and requires that the infrastructure, the mechanisms and the protocols should be completely designed based on each specific application.In this thesis, we first focused on small networks. We designed « Placide », a protocol stack solution for cold chain monitoring proposed within the ANR-CAPTEURS project. The first originality of this solution is based on the absence of infrastructure and base stations. « Placide » is composed of self-organizing and energy-efficient protocols based on a virtual ring construction between nodes. The second topic is devoted to an experimental study on Link Quality Indicator (LQI). There are two main objectives. Firstly, we want to endorse our precise assumptions of the first part of the work. Secondly, our poposed link quality based protocols and algorithms willbe described. We focused on LQI variations according to distance between nodes and transmission power.Thereafter, the impact of LQI on the network topology has been studied. Feedbacks are important to understand which factors affect the network lifetime. The last contribution relates to the use of these observations by proposing load balancing strategies. Our idea is that very reduced protocols and simple mechanisms can be used in routing protocols. We illustrate these principles through simple examples where we show the superiority of these solutions compared to standard routing like shortest path for example

Mécanismes optimisés de planification des états des capteurs pour la maximisation de la durée de vie dans les réseaux de capteurs sans fil.

RÉSUMÉ Depuis leur création, les réseaux de communication sans l ont connu un engouement fulgurant qui ne cesse de croître au sein des communautés scientiques et industrielles. Ainsi, le paradigme sans l a vu naître, au cours de son évolution, diverses architectures dérivées, telles que les réseaux cellulaires, les réseaux locaux sans l, les réseaux WiMax, etc. Durant la dernière décennie, un nouveau type de réseau sans l a suscité un grand intérêt auprès de la communauté scientique, il s'agit des réseaux ad hoc et des réseaux de capteurs sans l (RCSF). Ce nouveau type de réseau se distingue des réseaux sans l classiques par l'absence d'infrastructure (ou structure) préétablie et par la versatilité de ses n÷uds (i.e., ces derniers peuvent s'ajouter au réseau ou en disparaître d'une manière assez aléatoire). Un RCSF est composé d'un ensemble d'unités de traitements embarquées, appelées capteurs, communiquant via des liens sans l et dont la fonction principale est la collecte de paramètres relatifs à l'environnement qui les entoure, telles que la tempé- rature, la pression ou la présence d'objets. Les RCSF trouvent leur application dans diverses activités de la société, tels les processus industriels, les applications militaires de surveillance, l'observation et le suivi d'habitat, etc. À cause de la nature intrinsèque de leur fonctionnalité, les capteurs ont une contrainte principale : leur source d'énergie est limitée et presque jamais renouvelable. Ceci place l'optimisation de l'énergie consommée par les capteurs et la maximisation de la durée de vie des RCSF au centre des dés posés par ces réseaux.----------ABSTRACT Since their creation, wireless communication networks have witnessed a huge success that continues to grow in scientic and industrial communities. During its evolution the wireless paradigm has given birth to various derivative architectures, such as cellular, WiMax and wireless local area networks. During the last decade, a new type of wireless networks has stirred up great interest within the scientic community ; it consists in mobile ad hoc networks (MANETS) and wireless sensor networks (WSN). This new type of networks diers from conventional wireless networks by the absence of predetermined infrastructure (or structure) and by the versatileness of its nodes (i.e., any node can join the network or leave it in a pretty random manner). A WSN consists of a set of embedded processing units, called sensors, communicating via wireless links, whose main function is the collection of parameters related to the surrounding environment, such as temperature, pressure or the presence/motion of objects. WSN are expected to have many applications in various elds, such as industrial processes, military surveillance, observation and monitoring of habitat, etc. Because of the intrinsic nature of their intended applications, sensors have a major constraint : their energy source is usually limited and hardly renewable. This turns energy optimization and network lifetime maximization in WSN into real challenges. In this thesis, we address the problem of maximizing the network lifetime of WSN through optimal sensor state planning, with a view to minimizing the total dissipated energy while ensuring a fair balance of energy consumption over all sensors. This involves such techniques as cluster formation and switch-o of some sensors, while conforming to the application-related constraints, such as total coverage of the area monitored by the sensors and the presence of a routing topology composed of cluster heads

Construction et maintenance d'une dorsale virtuelle dans les réseaux AD HOC mobiles

Un réseau ad hoc mobile est un réseau complètement distribué ne nécessitant pas d'infrastructure fixe. Les terminaux sont libres de se déplacer n'importe quand et dans n'importe quelle direction. L'absence d'une infrastructure nécessite la collaboration de tous les terminaux pour acheminer le trafic d'une source vers une destination. De nombreux protocoles de routage ont été proposés pour assurer le relayage multi saut, utilisant différentes approches (réactives, proactives et hybrides). Toutefois, les performances de ces protocoles se dégradent en présence de la mobilité. Dans cette thèse, nous proposons d'améliorer la performance des protocoles de routage dans les réseaux ad hoc en construisant une dorsale virtuelle. Une dorsale virtuelle est un sous-ensemble de noeuds sélectionnés de façon à ce que chaque noeud dans le réseau possède au moins un voisin dans la dorsale. L'ensemble des noeuds qui forment la dorsale doit être toujours maintenu connecté même quand les noeuds changent de position. Plus la taille de la dorsale est minimale, plus la maintenance est efficace. Pour construire la dorsale, nous avons proposé un nouvel algorithme basé sur l'approximation de l'ensemble de domination connexe de taille minimale (MCDS). Un réseau ad hoc est généralement modélisé par un graphe à disque unitaire UDG (Unit Disc Graph). Trouver l'ensemble MCDS dans un graphe UDG est un problème NP-Complet. Dans le but de réduire cette complexité, nous avons décomposé le problème en deux étapes: la première étape consiste à déterminer l'ensemble de domination connexe (MDS) au moyen d'une formulation en programmation linéaire et la deuxième étape consiste à trouver l'arbre de recouvrement de l'ensemble MDS et en déduire l'ensemble MCDS. Les résultats de simulations montrent bien que la solution donnée par notre algorithme est très proche de celle fournie par l'analyse théorique. De plus, la taille de la dorsale est nettement inférieure comparée à d'autres algorithmes proposés dans la littérature quand la taille du réseau augmente. Nous avons également proposé une procédure de maintenance distribuée. Cette procédure est basée sur un échange simple des messages de contrôle hello modifiés, ces messages étant utilisés pour la découverte au voisinage. Un noeud qui change de position va alors appliquer cette procédure pour se connecter à la dorsale. Une maintenance locale de la dorsale sera effectuée dans la zone où le noeud va se retrouver dans sa nouvelle position. Les résultats de simulation ont démontré l'efficacité et la fiabilité de cette approche. En effet, plus de 90% des noeuds restent connectés pour une mobilité élevée (vitesse moyenne égale à 30 m/s). De plus, cette procédure est peu sensible au facteur de mise à l'échelle (Scalability). La nature distribuée de la procédure de maintenance s'adapte bien à la dynamique de la structure du réseau engendrée par le mouvement des noeuds. Dans le but de vérifier l'amélioration apportée par la présence d'une dorsale pour les protocoles de routage dans les réseaux ad hoc mobiles, nous avons comparé les performances de certains protocoles de routage, en fonction de la mobilité, en présence de la dorsale avec leurs performances dans leurs versions standards. Les résultats de simulations ont démontré qu'une amélioration de leurs performances peut atteindre 20% pour certains protocoles même pour une mobilité élevée. En conclusion, ce travail de recherche présente de nouvelles solutions pour différents problèmes reliés au routage dans les réseaux ad hoc mobiles

Modélisation mathématique du contrôle de puissance, de l'affectation des canaux et de la capacité dans les réseaux sans fil maillés (Mesh)

Ces dernières années, les technologies sans fil ont connu un développement fulgurant. Suite à cette évolution, les systèmes de transmission sont susceptibles de supporter une vaste gamme d'applications de voix, d'images, de vidéos et de données. Ces applications nécessitent une haute qualité de service, d'où la nécessité d'avoir un système robuste capable de gérer ces trafics. Le réseau sans fil maillé (WMN) a été proposé comme une solution prometteuse qui permet d'offrir plusieurs avantages tels que la facilité de réalisation, le faible coût de déploiement et la fiabilité.Cependant, il existe des contraintes qui se mettent en face de ces attentes : l'affectation de canaux, la connectivité, l'utilisation optimale de la puissance et l'amélioration de la capacité. Ce mémoire traite la problématique du contrôle de la puissance, de la connectivité, de l'affectation des canaux et de la capacité dans les réseaux sans fil maillés. Le but est d'optimiser ces paramètres afin d'avoir une bonne gestion de l'interférence, une économie d'énergie et avoir un maximum de liens actifs. Le traitement de cette problématique a nécessité une étude théorique et de simulations. Pour l'étude théorique, trois modèles mathématiques vont être introduits : le premier est un modèle de programmation mathématique du contrôle de la puissance. Il est utilisé afin d'optimiser l'utilisation des canaux et de l'énergie. Ce modèle est de type «programmation mathématique non linéaire en nombre entier» et il prend en compte avec succès des contraintes de transmission sans interférence. Tout en garantissant la connectivité du réseau et en se basant sur ces contraintes, un deuxième modèle de type «programmation mathématique linéaire en nombre entier» est introduit. Il s'agit d'un modèle simplifié par rapport au premier et il permet de minimiser la puissance et avoir une bonne assignation de canaux. Le dernier modèle mathématique a pour objectif de maximiser le nombre de liens actifs dans le réseau, ce qui permet d'en augmenter la capacité. L'algorithme choisi pour résoudre ce genre de problème est celui de Branch et Bound [1], connue pour sa vitesse de convergence et sa précision. L'étude de ces modèles est réalisée à travers un ensemble de simulations en utilisant un logiciel commercial (LINGO) de programmation mathématique. Nous procédons aux simulations avec des topologies aléatoires en fixant la portée maximale de transmission et d' interférence. La génération de ces topologies permet d'étudier l'impact du positionnement de nœuds sur notre modèle de puissance et d'affectation de canaux. Un schéma sera également présenté pour montrer l'optimalité du choix des canaux. La dernière simulation concerne l'étude de la capacité. En effet, le nombre maximal de liens actifs simultanément va être étudié en fonction du seuil de transmission et d'interférence des noeuds du réseau