Interopérabilité de protocole de communication adaptatifs basse-consommation pour des réseaux de capteurs

par Elodie Morin

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Andrzej Duda.

Le président du jury était Isabelle Guérin-Lassous.

Le jury était composé de Mickael Maman, Roberto Guizzetti.

Les rapporteurs étaient Fabrice Valois, Cong-Duc Pham.


  • Résumé

    L'essor rencontré par les différentes technologies dédiées aux réseaux de capteurs (WSN), a conduit au développement de plateformes capables d'opérer dans deux technologies différentes, adaptatives aux contextes de transmission. De telles plateformes ouvrent la porte à la conception de réseaux multitechnologies, que nous proposons d'exploiter dans le but de réduire la consommation d'énergie globale. Dans le but d'exploiter ces réseaux multitechnologies, nous décrivons les principales technologies de l'Internet des Objets (IoT), en les comparant sur un pied d'égalité grâce à l'analyseur que nous avons développé, puis les classifions en fonction des mécanismes MAC qu'elles exploitent. Nous analysons ensuite le lien entre le contexte applicatif (latence et fréquence de la génération de données) et le mécanisme MAC consommant le moins d'énergie pour ce contexte applicatif.Nous remarquons alors que les technologies exploitants un mécanisme MAC synchrone sont les plus adaptées aux trafics applicatifs périodiques dont les intervalles entre les générations de données sont courts. En effet, pour ces trafics, la dérive d'horloge entraine un coût de maintien de la synchronisation active trop élevé dans le cas de trafics périodiques rares. De plus, nous remarquons que la gestion des trafics applicatifs rares contraints en latence repose, dans les solutions existantes, sur l'utilisation d'une plateforme constamment active en mode de réception. Nous proposons alors d'exploiter les plateformes multitechnologies pour constituer un réseau synchrone dans lequel chaque nœud répartit son activité dans le temps pour globalement économiser de l'énergie pour remplacer le rôle du dispositif constamment disponible utilisé pour acheminer des trafics asynchrones contraints en latence. Nous remarquons que lors de la procédure d'attache au réseau synchrone, la situation du nœud qui tente de rejoindre un réseau synchrone dans le but d'y acheminer des données est similaire à la situation d'un nœud asynchrone qui souhaite acheminer des données au sein d'un réseau synchrone.Ainsi, nous proposons d'exploiter la phase d'attache au réseau pour acheminer des trafics émanants de noeuds asynchrones, contraints en latence, au sein d'un réseau synchrone.Cependant, les procédures actuellement standardisées d'attache au réseau sont naïves et très coûteuse en énergie, ce qui décourage l'utilisation d'un mode de communication asynchrone, reposant sur une succession d'associations/désassociations du réseau : nous proposons deux approches pour réduire le coût de cette procédure d'attache à un réseau TSCH. La première repose sur l'exploitation de séquences mathématiques dont la propriété est d'étaler les périodes d'activités dans le temps, tout en minimisant l'impact sur la latence de la procédure, pour diminuer le coût énergétique global de la procédure d'attache. La deuxième méthode proposée exploite les trames d'acquittement (ACK) des communications TSCH pour y ajouter des éléments d'informations : la date d'envoi de la prochaine trame de synchronisation sur le même canal physique que celui utilisé pour l'envoi de la trame d'ACK. Grâce au développement d'un simulateur des performances de la phase d'attache à un réseau TSCH, nous montrons que les protocole d'attaches proposés obtiennent de meilleures performances, soit en termes de latence, soit en termes de consommation d'énergie globale, que les protocoles d'attache classiquement utilisés dans les réseaux de capteurs.Enfin, nous proposons d'exploiter les mécanismes de la deuxième proposition d'attache au réseau pour l'envoi de trames de sollicitation à destination d'un nœud fonctionnant avec une technologie asynchrone, permettant ainsi d'acheminer un trafic asynchrone au sein d'un réseau synchrone en une latence bornée. Nous montrons la faisabilité et prouvons l'intérêt d'une telle proposition.

  • Titre traduit

    Interoperability of adaptive low power consumption communication protocol for sensor networks


  • Résumé

    The growth of various technologies dedicated to sensor networks (WSN) has led to the development of platforms capable of operating in two different technologies, adaptive to transmission contexts. Such platforms open the door to the design of multi-technology networks, which we propose to exploit to reduce overall energy consumption. In order to exploit these multi-technology networks, we describe the main Internet of Things (IoT) technologies, comparing them on an equal footing thanks to the analyzer we developed, and classify them according to the MAC mechanisms they use. We then analyze the link between the application context (latency and frequency of data generation) and the MAC mechanism that consumes the least energy for this application context.We note that the technologies operating with a synchronous MAC mechanism are the most suitable for periodic application traffic with short intervals between data generation. For these traffic patterns, clock drift leads to extensive traffic overhead because of the need to actively maintain synchronization for sparse periodic traffic.Moreover, we notice that, in the existing solutions, the management of sparce application traffic management is based on the use of an always-on platform (in reception mode). We thus propose to exploit the multi-technology platforms to build a synchronous network in which each node distributes its activity over time to globally save energy by replacing the role of the always-on platform, while guaranteeing the delivery of the latency-constrained asynchronous traffic.We notice that during the synchronous network joining phase, the situation of the node attempting to join a synchronous network is similar to the situation of an asynchronous node wanting to deliver data through a synchronous network.Thus, we propose to exploit the synchronous network joining phase to route latency-constrained traffic originating from asynchronous nodes through the synchronous network.However, the currently standardised network attachment procedures are naïve and energy-greedy, which discourages the use of an asynchronous communication mode, based on a succession of network associations/dissociations: we thus propose two approaches to reduce the cost of the TSCH network attachment procedure.The first is based on the use of mathematical sequences wich distribute the periods of activity over time, while minimizing the impact on the latency of the procedure, in order to reduce the overall energy cost of the attachment procedure. The second proposed method exploits the acknowledgement frames (ACK) of TSCH data communications to embed the date of the next synchronization frame transmission on the same physical channel as the ACK frame. Thanks to the development of a simulator of the TSCH joining phase, we show that the proposed protocols achieve better performance, either in terms of joining latency, or in terms of overall energy consumption, than the standard joining protocols used in WSN.Finally, we propose to exploit the mechanisms of the second proposal for sending request frames to a node operating with an asynchronous technology, thus enabling asynchronous traffic to be routed through a synchronous network in bounded latency. We demonstrate the value and feasibility of such a proposal.


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