Pile de protocoles pour des réseaux des capteurs avec récupération d'énergie

par Gabriele Romaniello

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Andrzej Duda, Roberto Guizzetti et de Olivier Alphand.

Soutenue le 17-03-2015

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Informatique de Grenoble (laboratoire) .

Le président du jury était Isabelle Guérin-Lassous.

Les rapporteurs étaient Fabrice Valois, Alexandre Guitton.


  • Résumé

    Cette thèse vise à améliorer la pile de protocoles pour réseaux de capteurs sans fil à récupération d'énergie afin de les rendre autonomes dans un contexte multi-saut. Elle s'inscrit dans le projet GreenNet de STMicroelectronics qui a pour objectif de concevoir et développer une nouvelle génération d'objets intelligent basés sur la récupération d'énergie ambiente en vue de l'intégration dans l'Internet des Objets. L'originalité de la plateforme GreenNet repose sur sa petite taille qui implique une faible capacité de stockage d'énergie ainsi qu'une faible capacité de récupération d'énergie. Avec un si faible budget d'énergie, les protocoles standards ou les solutions proposées par les communautés académique/industrielle ne permettant pas d'assurer un fonctionnement autonome de ces réseaux. Dans cette thèse, nous analysons les protocoles standards et les solutions existantes pour identifier leurs limites avec la plateforme GreenNet. Ensuite, nous proposons 3 contributions afin de permettre cette autonomie. La première contribution est MCBT, un protocole permettant d'accélérer la découverte et le rattachement de nouveaux noeuds à un réseau multi saut et multi-canaux en formation ou existent. Ce protocole réduit efficacement l'énergie dépensée dans cette phase fortement consommatrice. La deuxième contribution est STADA, un algorithme adaptant l'activité des capteurs en fonction des conditions locales de trafic et d'énergie disponible. STADA est basé sur une fonction de pondération qui tient compte de l'énergie présente dans la batterie, du taux de récupération d'énergie et du trafic local. Enfin, notre troisième contribution propose une nouvelle métrique de routage basée sur Expected Delay synthétisant en une seule variable monotone des facteurs tels que l'éloignement au puits, les chemins bénéficiant d'un ordonnancement de relayage de paquet privilégié et de périodes cumulées d'activité des radios sur le chemin favorable. Toutes les solutions proposées sont conçues pour fonctionner avec la norme IEEE 802.15.4 slotté et sont facilement transposables à son évolution définie par la norme IEEE 802.15.4e. Nous avons validé les protocoles proposés grâce à un simulateur émulant des noeuds réels (Cooja) et au simulateur WSNet. Les résultats ont montré de meilleures performances en termes de consommation d'énergie et de qualité de service par rapport à l'existant.

  • Titre traduit

    Energy Efficient Protocols for Harvested Wireless Sensor Networks


  • Résumé

    This thesis concerns energy efficient protocols for harvested wireless sensor networks. It is a part of an industrial Internet of Things project. STMicroelectronics started the GreenNet project with the objective to develop and design a new generation of harvesting smart objects to be integrated in the Internet of Things. The GreenNet platform is novel with respect to the existing solutions due to its small size that implies a small energy buffer and small harvesting capabilities. This aspect makes the standard protocols and precedent solutions not directly applicable on this extremely low power platform. In this dissertation, we analyse standard protocols and existing solutions to identify their issues in the gn platform. Then, we provide protocol and algorithm adaptations to make feasible the concept of auto configurable and sustainable networks of GreenNet nodes. We proposed MCBT, an energy efficient protocol for the bootstrap procedure. It enables low power nodes to be enrolled in mh mc wireless sensor networks thanks to the network support for enrolling new nodes. It represents an energy efficient solution that extends the standard protocol. We proposed STADA, a sustainable algorithm to adapt the node activity according to the available energy and traffic conditions. STADA is based on a weighted function that takes into account the energy present in the battery, the energy harvesting rate, and network traffic. In this way, the algorithm takes into account all main parameters to adapt the energy consumption and improve the node performance. To make the harvested network more efficient according to light variations, we proposed a novel metric that makes the path choice a simple process. With the Expected Delay, we synthesize all network parameters in a single monotonic variable that facilitates the path choice in mh harvesting wireless sensor networks. All proposed solutions are designed to work with standard beacon-enabled IEEE 802.15.4 protocols and are easily portable on the future version of IEEE 802.15.4e. We validated the proposed protocols with emulations and simulations. The evaluation results shown better performance in terms of energy consumption and quality of service.


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