Efficient and guaranteed routing in wireless sensor networks - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Efficient and guaranteed routing in wireless sensor networks

Routage efficace et garanti dans les réseaux de capteurs sans fil

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Henry-Joseph Audéoud

Résumé

The wireless sensor networks that we work with in this thesis are a set of devices connected to each other by low-rate and low-power technologies. Their role is to produce measures on the physical environment around them (meteorological and climate condition tracking, monitoring of industrial installations, control of distribution grids, topographical surveillance…). These measures must then be collected out of the network. Since the sensors have short range radios, transmissions are multi-hop, the sensors close to the destination relaying the information transmitted by those which are further away from it. Because of the movement of the nodes themselves or of objects in their environment interfering with wireless communications, the exact topology of the network is subject to change. In addition, the battery-powered sensors are limited in energy and therefore in transmission abilities. The power-saving techniques applied to turn off the radio most of the time impose synchronization constraints. To route information through the network, the routing protocol establishes routes, so that the sensors can relay information from and to the network border router through reliable links leading to the destination through short paths. Due to sensor limitations, the routing must be energy efficient, i.e.\ the overload of the radio transmissions involved by the routing algorithm itself must be as lightweight as possible. It must also be able to restore connectivity on a network topology change without creating routing loops that negatively impact the quality of service and the energy reserves of the nodes. This document describes a routing protocol that meets these objectives. It is capable of creating a self-healing collection tree that extracts information out of the network, as well as from the routes to distribute command messages or acknowledgment to the nodes. It also validates the data path of each packet to ensure that they never enter a routing loop. The protocol is run in simulations and also on real platform experiments, showing the effectiveness of the proposed mechanisms. In order to improve its ability to choose the best available links, I also propose the use of a new estimation of their quality. It is based on two complementary measurements: a long-term measurement of the ambient noise level on the radio channel, and a measurement of the power of the signal received from the transmitter. These two measurements provide an estimate of the signal-to-noise ratio, and thereby the expected reception rate. This estimate is both accurate, quick to obtain, and adapted to the constraints of sensors and networks we are talking about.
Les réseaux de capteurs sans fil qui nous occupent dans cette thèse sont un ensemble d'appareils connectés les uns aux autres par des technologies bas débit et faible consommation. Leur rôle est de prendre des mesures sur l'environnement physique qui les entoure (suivis météoclimatiques, contrôles d'installations industrielles, relevés de l'état des réseaux de distributions, surveillance topographique…). Ces mesures doivent ensuite être collectées vers l'extérieur du réseau. Comme les capteurs ont une courte portée de communication radio, les transmissions sont faites en multisaut, les capteurs proches de la destination relayant l'information émise par ceux qui en sont plus éloignés. À cause du mouvement des nœuds eux-mêmes ou d'objets dans leur environnement perturbant les communications sans fil, la topologie exacte du réseau est sujette à des changements. De plus, les capteurs eux-mêmes, alimentés par batterie pour la plupart, sont limités en énergie et par là en capacité de transmission. Les techniques d'économie d'énergie appliquées pour éteindre la radio la plupart du temps imposent alors des contraintes de synchronisation supplémentaires. Pour acheminer l'information dans le réseau, le protocole de routage établit des routes, de façon à ce que les capteurs puissent relayer l'information depuis et jusqu'au routeur de bordure du réseau à travers des liens fiables et conduisant jusqu'à la destination à travers des chemins courts. À cause des limitations des capteurs, le protocole de routage doit être efficace en énergie, c'est-à-dire que la surcharge des transmissions radio impliquées par le protocole de routage lui-même doit être aussi légère que possible. Il doit aussi être capable de rétablir la connectivité en cas de changement dans la topologie du réseau, et ce sans créer de boucles de routage pénalisant tant la qualité de service que les réserves d'énergie des nœuds. Ce document décrit un protocole de routage répondant à ces objectifs. Il est capable de créer un arbre de collecte autoréparant permettant d'extraire l'information hors du réseau, ainsi que des routes pour distribuer des commandes ou des accusés de réception aux nœuds. Il valide aussi le chemin emprunté par chaque paquet transmis afin de garantir qu'ils n'entrent jamais dans une boucle de routage. Le protocole est mis en situation dans des simulations et aussi des expérimentations en plateforme réelle, montrant l'efficacité des mécanismes proposés. Afin d'améliorer sa capacité à choisir les meilleurs liens disponibles, je propose également l'utilisation d'une nouvelle estimation de leur qualité. Elle est basée sur deux mesures complémentaires : une mesure à long terme du niveau de bruit ambiant présent sur le canal radio, et une mesure ponctuelle de la puissance du signal reçu de l'émetteur. Ces deux mesures fournissent une estimation du rapport signal à bruit, et par là du taux de réception attendu. Cette estimation est à la fois précise, rapide à obtenir, et adaptée aux contraintes des capteurs et des réseaux desquels nous parlons.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
Format : Présentation
Commentaire : Diaporama utilisés lors de la soutenance
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Dates et versions

tel-02482139 , version 1 (02-03-2020)
tel-02482139 , version 2 (19-05-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02482139 , version 1

Citer

Henry-Joseph Audéoud. Routage efficace et garanti dans les réseaux de capteurs sans fil. Réseaux et télécommunications [cs.NI]. Université Grenoble Alpes (France), 2019. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02482139v1⟩
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