A New Model of the Lifetime of Wireless Sensor Networks in Sea Water Communications

In this paper we present a new model for the lifetime of wireless sensor networks used for sea water communications. The new model for power communications takes into consideration parameters such as power consumption for the active mode, power consumption for the sleep mode, power consumption for the transient mode, transmission period, transient mode duration, sleep mode duration, and active mode duration. The power communications model is incorporated in the life time model of wireless sensor networks. The life time model takes into consideration several parameters such as the total number of sensors, network size, percentage of sink nodes, location of sensors, the mobility of sensors, power consumption when nodes move and the power consumption of communications. The new model for power consumption in communications shows more accurate results about the lifetime of the sensor network in comparison with previously published results

Minimum Cost Distributed Source Coding Over a Network

This paper considers the problem of transmitting multiple compressible sources over a network at minimum cost. The aim is to find the optimal rates at which the sources should be compressed and the network flows using which they should be transmitted so that the cost of the transmission is minimal. We consider networks with capacity constraints and linear cost functions. The problem is complicated by the fact that the description of the feasible rate region of distributed source coding problems typically has a number of constraints that is exponential in the number of sources. This renders general purpose solvers inefficient. We present a framework in which these problems can be solved efficiently by exploiting the structure of the feasible rate regions coupled with dual decomposition and optimization techniques such as the subgradient method and the proximal bundle method

Optimisation de la consommation d'énergie par la prise en compte de la redondance de mesure dans les réseaux de capteurs

Les réseaux de capteurs sans fil sont utilisés aujourd'hui dans de nombreuses applications qui incluent notamment : la domotique, la santé, le domaine militaire ou encore la surveillance de phénomènes environnementaux. Toutefois, le dénominateur commun de toutes les applications de réseaux de capteurs reste la limite des capteurs en raison de leurs ressources matérielles limitées dont la plus contraignante est l'énergie. Cette thèse a pour objectif d'étudier les techniques permettant d'améliorer l'efficacité énergétique des réseaux de capteurs sans fil denses. Deux nouvelles techniques sont proposées. La première approche développée dans cette thèse concerne la conservation d'énergie fondée sur redondance de mesure. Le protocole proposé MR-LEACH (Measurement Redundancy aware LEACH) s'adresse à la problématique posée par l'absence de gestion efficace d'énergie au sein des grands réseaux de capteurs hiérarchiques. MR-LEACH est une extension du protocole LEACH bien connue pour améliorer la consommation d'énergie dans les réseaux de capteurs. En plus de la formation du cluster selon le protocole LEACH, les nœuds sont regroupes en tenant compte de leur redondance et un seul nœud transmet à la fois les données dans chaque groupe redondant. Cette méthode a les avantages de présenter une faible consommation d'énergie, d'accroître la durée de vie du réseau et de réduire le délai de bout en bout. Le protocole OER (Optimization of Energy based on Redundancy) est la seconde contribution de cette thèse. L'objectif est double. Nous proposons tout d'abord une méthode de partitionnement de réseaux de capteurs fondée sur les modèles de détection. Les modèles de détection estiment la manière dont un nœud est capable de détecter les phénomènes. Il s'agit ensuite de proposer un algorithme de recherche d'un partitionnement optimal. Nous nous sommes focalises sur la variation d'une fonction objectif. OER détermine si un partitionnement obtenu est meilleur pour minimiser la fonction objectif. Par la suite, l'impact de la recherche de solution optimale sur la durée de vie du réseau à été étudiée.Wireless Sensor Networks (WSN) are used today in many applications that differ in their own objectives and specific constraints. The application areas for wireless sensor networks are various: home automations, health care services, military domain, and environment monitoring. However the common challenge in designing WSN applications comes from the specific constraints of sensors because of their limited physical resources such as weak computational capability, small memory capacity and especially limited battery lifetime. This thesis aims to develop techniques to improve the energy efficiency of dense wireless sensor networks. Two new techniques are proposed. The first approach developed in this thesis concerns the energy conservation based on measurement redundancy. The proposed MR-LEACH (Measurement Redundancy aware LEACH) protocol address the main issue resulting from the absence of a energy efficient management within the large hierarchical wireless Sensor networks. MR-LEACH is an extension to the well-known LEACH protocol to improve energy consumption in cluster-based WSNs. In addition to cluster formation according to LEACH protocol, the nodes are grouped taking into account their redundancy and only a single node transmits data in each redundant group. This method have the advantages of presenting a low energy consumption, increasing the network lifetime and decreasing the end-to-end delay. OER (Optimization of Energy based on Redundancy) protocol is the second contribution of this thesis. There are two main objectives. Firstly, we propose a partitioning method for sensor networks based on sensing models. Sensing models estimate the manner in which a node is able to detect the phenomena. Secondly, we propose a search algorithm for finding an optimal partitioning. We focused on the variation of an objective function. OER determines whether a partitioning obtained is best to minimize the objective function. Thereafter, the impact of optimal solution search on network lifetime has been investigated

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

Efficient Distributed Detection for Wireless Sensor Networks

Negli ultimi anni si è assistito ad una crescita esponenziale delle tecnologie per la fabbricazione di micro dispositivi ed, in particolare, di sensori. Il costo di tali sensori si è ridotto, portando ad un crescente interesse in reti di sensori, ad esempio, per il monitoraggio ambientale. D'altro canto, l'utilizzo di reti di sensori nel campo militare ha una lunga storia. In tutti i casi, l'obiettivo di una rete di sensori è quello di identificare lo stato di un fenomeno di interesse attraverso l'azione collaborativo di più sensori. Un esempio di tale azione è la rivelazione distribuita. In questa tesi, viene studiato come incorporare le caratteristiche intrisìnseche del fenomeno sotto osservazione nella progettazione di algoritmi di rivelazione distribuita in reti di sensori.Recent years have witnessed an exponential growth of micro device manufacturing techniques and, in particular, of powerful sensor devices. The costs of these sensors have dropped, leading to an increasing interest on sensor networks for civilian applications, e.g., environmental monitoring. The use of sensor networks in the military field has, on the other hand, a long history. In all cases, the goal of a sensor network is to identify the status of a phenomenon of interest through a collaborative action of the sensors. An instance of this collaborative action is given by distributed detection. The increasing interest for sensor networks has, therefore, spurred a significant activity on the design of efficient distributed detection techniques. In this thesis, we investigate how the structural properties of the physical phenomenon under observation can be taken into account in designing distributed detection algorithms for sensor networks

Intelligent Sensor Networks

In the last decade, wireless or wired sensor networks have attracted much attention. However, most designs target general sensor network issues including protocol stack (routing, MAC, etc.) and security issues. This book focuses on the close integration of sensing, networking, and smart signal processing via machine learning. Based on their world-class research, the authors present the fundamentals of intelligent sensor networks. They cover sensing and sampling, distributed signal processing, and intelligent signal learning. In addition, they present cutting-edge research results from leading experts