Data aggregation in wireless sensor networks

par Jin Cui

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Fabrice Valois.

Soutenue le 27-06-2016

à Lyon , dans le cadre de École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , CITI - Centre d'Innovation en Télécommunications et Intégration de services (Lyon, INSA) (laboratoire) et de CITI Centre of Innovation in Telecommunications and Integration of services / CITI (laboratoire) .

Le président du jury était André-Luc Beylot.

Le jury était composé de Fabrice Valois, André-Luc Beylot, Marcelo Dias de Amorim, Pascale Minet, Khaled Boussetta, Franck Rousseau.

Les rapporteurs étaient Marcelo Dias de Amorim, Pascale Minet.

  • Titre traduit

    Agrégation de données dans les réseaux de capteurs sans fil


  • Résumé

    Depuis plusieurs années, l’agrégation de données sont considérés comme un domaine émergent et prometteur tant dans le milieu universitaire que dans l’industrie. L’énergie et la capacité du réseau seront donc économisées car il y aura moins de transmissions de données. Le travail de cette thèse s’intéresse principalement aux fonctions d’agrégation Nous faisons quatre contributions principales. Tout d’abord, nous proposons deux nouvelles métriques pour évaluer les performances des fonctions d’agrégations vue au niveau réseau : le taux d’agrégation et le facteur d’accroissement de la taille des paquets. Le taux d’agrégation est utilisé pour mesurer le gain de paquets non transmis grâce à l’agrégation tandis que le facteur d’accroissement de la taille des paquets permet d’évaluer la variation de la taille des paquets en fonction des politiques d’agrégation. Ces métriques permettent de quantifier l’apport de l’agrégation dans l’économie d’énergie et de la capacité utilisée en fonction du protocole de routage considéré et de la couche MAC retenue. Deuxièmement, pour réduire l’impact des données brutes collectées par les capteurs, nous proposons une méthode d’agrégation de données indépendante de la mesure physique et basée sur les tendances d’évolution des données. Nous montrons que cette méthode permet de faire une agrégation spatiale efficace tout en améliorant la fidélité des données agrégées. En troisième lieu, et parce que dans la plupart des travaux de la littérature, une hypothèse sur le comportement de l’application et/ou la topologie du réseau est toujours sous-entendue, nous proposons une nouvelle fonction d’agrégation agnostique de l’application et des données devant être collectées. Cette fonction est capable de s’adapter aux données mesurées et à leurs évolutions dynamiques. Enfin, nous nous intéressons aux outils pour proposer une classification des fonctions d’agrégation. Autrement dit, considérant une application donnée et une précision cible, comment choisir les meilleures fonctions d’agrégations en termes de performances. Les métriques, que nous avons proposé, sont utilisées pour mesurer la performance de la fonction, et un processus de décision markovien est utilisé pour les mesurer. Comment caractériser un ensemble de données est également discuté. Une classification est proposée dans un cadre précis.


  • Résumé

    Wireless Sensor Networks (WSNs) have been regarded as an emerging and promising field in both academia and industry. Currently, such networks are deployed due to their unique properties, such as self-organization and ease of deployment. However, there are still some technical challenges needed to be addressed, such as energy and network capacity constraints. Data aggregation, as a fundamental solution, processes information at sensor level as a useful digest, and only transmits the digest to the sink. The energy and capacity consumptions are reduced due to less data packets transmission. As a key category of data aggregation, aggregation function, solving how to aggregate information at sensor level, is investigated in this thesis. We make four main contributions: firstly, we propose two new networking-oriented metrics to evaluate the performance of aggregation function: aggregation ratio and packet size coefficient. Aggregation ratio is used to measure the energy saving by data aggregation, and packet size coefficient allows to evaluate the network capacity change due to data aggregation. Using these metrics, we confirm that data aggregation saves energy and capacity whatever the routing or MAC protocol is used. Secondly, to reduce the impact of sensitive raw data, we propose a data-independent aggregation method which benefits from similar data evolution and achieves better recovered fidelity. Thirdly, a property-independent aggregation function is proposed to adapt the dynamic data variations. Comparing to other functions, our proposal can fit the latest raw data better and achieve real adaptability without assumption about the application and the network topology. Finally, considering a given application, a target accuracy, we classify the forecasting aggregation functions by their performances. The networking-oriented metrics are used to measure the function performance, and a Markov Decision Process is used to compute them. Dataset characterization and classification framework are also presented to guide researcher and engineer to select an appropriate functions under specific requirements.


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