Study of adaptation mechanisms of the wireless sensor nodes to the context for ultra-low power consumption

par Andreina Liendo sanchez

Thèse de doctorat en Optique et radiofrequences

Sous la direction de Dominique Morche.

Le président du jury était Andrzej Duda.

Le jury était composé de Franck Rousseau, François Pêcheux.

Les rapporteurs étaient Marcelo Dias De Amorim, Guillaume Villemaud.

  • Titre traduit

    Etude des mécanismes d'adaptation des noeuds de capteurs sans fil dans le contexte de très faible consommation d'énergie


  • Résumé

    L'Internet des objets (IoT) est annoncé comme la prochaine grande révolution technologique où des milliards d'appareils s'interconnecteront en utilisant les technologies d’Internet et permettront aux utilisateurs d'interagir avec le monde physique, permettant Smart Home, Smart Cities, tout intelligent. Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) sont cruciales pour tourner la vision de l'IoT dans une réalité, mais pour que cela devienne réalité, beaucoup de ces dispositifs doivent être autonomes en énergie. Par conséquent, un défi majeur est de fournir une durée de vie de plusieurs années tout en alimentant les nœuds par batteries ou en utilisant l'énergie récoltée. Bluetooth Low Energy (BLE) a montré une efficacité énergétique et une robustesse supérieures à celles d'autres protocoles WSN bien connus, ce qui fait BLE un candidat solide pour la mise en œuvre dans des scénarios IoT. En outre, BLE est présent dans presque tous les smartphones, ce qui en fait une télécommande universelle omniprésente pour les maisons intelligentes, les bâtiments ou les villes. Néanmoins, l'amélioration de la performance BLE pour les cas typiques d'utilisation de l'IoT, où la durée de vie de la batterie de nombreuses années, est toujours nécessaire.Dans ce travail, nous avons évalué les performances de BLE en termes de latence et de consommation d'énergie sur la base de modèles analytiques afin d'optimiser ses performances et d'obtenir son niveau maximal d'efficacité énergétique sans modification de la spécification en premier lieu. À cette fin, nous avons proposé une classification des scénarios ainsi que des modes de fonctionnement pour chaque scénario. L'efficacité énergétique est atteinte pour chaque mode de fonctionnement en optimisant les paramètres qui sont affectés aux nœuds BLE pendant la phase de découverte du voisin. Cette optimisation des paramètres a été réalisée à partir d'un modèle énergétique extrait de l'état de la technique. Le modèle, à son tour, a été optimisé pour obtenir une latence et une consommation d'énergie quel que soit le comportement des nœuds à différents niveaux: application et communication. Puisqu'un nœud peut être le périphérique central à un niveau, alors qu'il peut être le périphérique à l'autre niveau en même temps, ce qui affecte la performance finale des nœuds.En outre, un nouveau modèle d'estimation de la durée de vie de la batterie a été présenté pour montrer l'impact réel de l'optimisation de la consommation énergétique sur la durée de vie des nœuds, de façon rapide (en termes de temps de simulation) et réaliste (en tenant compte des données empiriques). Les résultats de performance ont été obtenus dans notre simulateur Matlab basé sur le paradigme OOP, à travers l'utilisation de plusieurs cas de test IoT. En outre, le modèle de latence utilisé pour notre étude a été validé expérimentalement ainsi que l'optimisation des paramètres proposée, montrant une grande précision.Après avoir obtenu les meilleures performances possibles de BLE sans modification de la spécification, nous avons évalué les performances du protocole en implémentant le concept de Wake-Up radio (WuR), qui est un récepteur d’ultra-faible consommation et qui est en charge de détecter le canal de communication, en attente d'un signal adressé au nœud, puis réveiller la radio principale. Ainsi, la radio principale, qui consomme beaucoup plus d'énergie, peut rester en mode veille pendant de longues périodes et passer en mode actif uniquement pour la réception de paquets, économisant ainsi une quantité d'énergie considérable. Nous avons démontré que la durée de vie de BLE peut être significativement augmentée en implémentant une WuR et nous proposons une modification du protocole afin de rendre ce protocole compatible avec un mode de fonctionnement qui inclut une WuR. Pour cela, nous avons étudié l'état de l'art de la WuR et évalué la durée de vie des périphériques BLE lorsqu'une WuR sélectionnée est implémentée du côté master.


  • Résumé

    The Internet of Things (IoT) is announced as the next big technological revolution where billions of devices will interconnect using Internet technologies and let users interact with the physical world, allowing Smart Home, Smart Cities, smart everything. Wireless Sensor Network (WSN) are crucial for turning the vision of IoT into a reality, but for this to come true, many of these devices need to be autonomous in energy. Hence, one major challenge is to provide multi-year lifetime while powered on batteries or using harvested energy. Bluetooth Low Energy (BLE) has shown higher energy efficiency and robustness than other well known WSN protocols, making it a strong candidate for implementation in IoT scenarios. Additionally, BLE is present in almost every smartphone, turning it into perfect ubiquitous remote control for smart homes, buildings or cities. Nevertheless, BLE performance improvement for typical IoT use cases, where battery lifetime should reach many years, is still necessary.In this work we evaluated BLE performance in terms of latency and energy consumption based on analytical models in order to optimize its performance and obtain its maximum level of energy efficiency without modification of the specification in a first place. For this purpose, we proposed a scenarios classification as well as modes of operation for each scenario. Energy efficiency is achieved for each mode of operation by optimizing the parameters that are assigned to the BLE nodes during the neighbor discovery phase. This optimization of the parameters was made based on an energy model extracted from the state of the art. The model, in turn, has been optimized to obtain latency and energy consumption regardless of the behavior of the nodes at different levels: application and communication. Since a node can be the central device at one level, while it can be the peripheral device at the other level at the same time, which affects the final performance of the nodes.In addition, a novel battery lifetime estimation model was presented to show the actual impact that energy consumption optimization have on nodes lifetime in a fast (in terms of simulation time) and realistic way (by taking into account empirical data). Performance results were obtained in our Matlab based simulator based on OOP paradigm, through the use of several IoT test cases. In addition, the latency model used for our investigation was experimentally validated as well as the proposed parameter optimization, showing a high accuracy.After obtaining the best performance possible of BLE without modification of the specification, we evaluated the protocol performance when implementing the concept of Wake-Up radio, which is an ultra low power receiver in charge on sensing the communication channel, waiting for a signal addressed to the node and then wake the main radio up. Thus, the main radio which consumes higher energy, can remain in sleep mode for long periods of time and switch to an active mode only for packet reception, therefore saving considerable amount of energy. We demonstrated that BLE lifetime can be significantly increased by implementing a Wake-Up radio and we propose a modification of the protocol in order to render this protocol compatible with an operating mode which includes a Wake-Up radio. For this, we studied the Wake-Up radio state of the art and evaluated BLE devices lifetime when a selected Wake-Up radio is implemented at the master side.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Chambéry-Annecy). Service commun de la documentation et des bibliothèques universitaires. Bibliothèque électronique.
  • Bibliothèque : Service Interétablissement de Documentation. LLSH Collections numériques.
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation. STM. Collections numériques.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.