Distributed Localization and Conflict Detection in Mobile Wireless Networks

par Imen Mahjri

Thèse de doctorat en Réseaux, Télécommunications, Systèmes et Architecture

Soutenue le 29-09-2017

à Toulouse, INSA en cotutelle avec l'Ecole Nationale des Sciences de l'Informatique , dans le cadre de Mathématiques Informatique Télécommunications de Toulouse , en partenariat avec Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (laboratoire) et de Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse] / LAAS (laboratoire) .

Le président du jury était Luigi alfredo Grieco.

Le jury était composé de Khalil Drira, Abdelfattah Belghith, Amine Dhraief, Samir Medjiah, Imen Jemili.

Les rapporteurs étaient Maher Benjemaa, Francine Krief.

  • Titre traduit

    Localisation distribuée et détection des conflits dans les réseaux mobiles sans fil


  • Résumé

    Un réseau sans fil mobile est une collection de noeuds mobiles connectés via des liens sans fil. Le noeud mobile peut être une personne portant un terminal mobile, un animal avec une étiquette électronique, un véhicule ou tout autre appareil mobile doté de capacités de communication sans fil. Cette thèse traite deux importants problèmes dans les réseaux sans fil mobiles : la localisation et la détection des conflits. La localisation est l’estimation des positions absolues ou relatives des noeuds mobiles. La détection des conflits est la prédiction des potentiels futurs conflits entre les noeuds mobiles. Un conflit est une situation dans laquelle deux ou plusieurs noeuds mobiles se trouvent à une distance inférieure à une distance minimale requise. La détection des conflits est particulièrement nécessaire dans les réseaux mobiles où les noeuds risquent de trop se rapprocher les uns des autres et se heurter.La première contribution de cette thèse est un nouvel algorithme de localisation pour les réseaux sans fil mobiles. L’algorithme proposé est distribué et nécessite un faible coût de calcul et de communication permettant son utilisation par des noeuds à ressources limitées. En particulier, un petit ensemble de noeuds avec des positions connues, appelés des nœuds ancres, diffusent périodiquement leurs coordonnées. Chaque noeud mobile avec une position inconnue collecte les coordonnées des noeuds ancres, les attribue des poids en fonction de différentes métriques (par exemple, la qualité de la liaison sans fil, le temps de réception) et enfin estime sa position en tant que la moyenne pondérée de toutes les coordonnées collectées. La deuxième contribution de cette thèse consiste en un algorithme de détection de conflit nommé SLIDE. SLIDE est distribué et à faible complexité: chaque noeuds mobile utilise des simples inégalités mathématiques afin de prédire avec précision et en temps opportun les futurs conflits avec les noeuds voisins. En outre, SLIDE abandonne l’hypothèse restrictive des positions et vitesses précises ainsi que des communications non perturbées afin de garantir son efficacité dans les applications du monde réel. La troisième et dernière contribution de cette thèse est un modèle stochastique qui évalue les risques des conflits dans un réseau sans fil mobile où les noeuds mobiles se déplacent dans le même espace partagé. Contrairement à la plupart des modèles stochastiques existants, le modèle proposé est simple, générique et ne nécessite que deux paramètres d’entrée: le nombre de noeuds mobiles et le paramètre λ caractérisant le temps d’inter-contact entre une paire de noeuds mobiles. Le paramètre λ peut être difficile à estimer expérimentalement. Nous proposons donc une expression générique pour λ et puis nous la spécifions pour deux modèles de mobilité couramment utilisés. Toutes les contributions de cette thèse sont validées en utilisant des simulations basées sur le simulateur d’événements discrets OMNeT ++.


  • Résumé

    A mobile wireless network is a collection of mobile nodes connected via wireless links. The mobile node can be a person carrying a mobile terminal, an animal with an embedded sensor (electronic tag), a vehicle or any other mobile device with wireless communication capabilities. This thesis deals with two fundamental issues in mobile wireless networks: localization and conflict detection. Localization is the estimation of the absolute or relative positions of the mobile nodes. Conflict detection is the prediction of potential future conflicts between the mobile nodes. A conflict is a situation in which two or more mobile nodes are within an unsafe distance from one another. Conflict detection is a crucial requirement for mobile networks where the nodes can get too close to each other and collide.The first contribution of this thesis is a new weighted localization algorithm for mobile wireless networks. The proposed algorithm is distributed and requires low computational and communication overheads enabling its use in resource-limited nodes. In particular, a small set of nodes with known positions, called beacon nodes, are periodically broadcasting their coordinates. A mobile node with an unknown position collects the beacon nodes coordinates, attributes them weights based on different metrics (e.g, link quality, reception time) and finally estimates its position as the weighted average of all the collected coordinates. The second contribution of this thesis consists in a straight line conflict detection algorithm called SLIDE. SLIDE is distributed and lightweight: each mobile node uses simple mathematical inequalities in order to accurately and timely predict future conflicts with the surrounding nodes. Furthermore, SLIDE drops the restrictive assumption of perfect sensing capabilities and perturbation-free environment in order to guarantee its efficiency in real world applications. The third and last contribution of this thesis is a stochastic model that assesses the conflicts risks in a mobile wireless network where the mobile nodes are moving in the same shared space. Unlike most of the existing stochastic models, the proposed model is simple, generic and requires only two input parameters: the number of mobile nodes and the parameter λ characterizing the inter-contact time between a pair of mobile nodes. The parameter λ may be difficult to estimate experimentally. We therefore provide a generic explicit expression for λ and then specify this generic expression for two commonly used mobility models. All the contributions of this thesis are validated through extensive simulations based on the discrete-event simulator OMNeT++.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 29-03-2018

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