Study and development of wireless sensor network architecture tolerant to delays

par Yosra Zguira Bahri

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Aref Meddeb et de Hervé Rivano.

Soutenue le 20-12-2018

à Lyon en cotutelle avec l'Université du Centre (Sousse, Tunisie) , 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 Bertrand Ducourthial.

Le jury était composé de Aref Meddeb, Hervé Rivano, Bertrand Ducourthial, Nathalie Mitton, Mohamed Mosbah, Alexandre Guitton.

Les rapporteurs étaient Nathalie Mitton, Mohamed Mosbah.

  • Titre traduit

    Etude et développement d'une architecture de réseaux de capteurs tolérante aux délais


  • Résumé

    Le transport est devenu fondamental dans les villes pour le bon fonctionnement de l'économie et le bien-être de la population urbaine. Depuis plusieurs années, le transport est confronté à de nombreux problèmes tels que l'embouteillage, le taux élevé d'accidents, la vie malsaine due à la fumée et à la poussière, la pollution atmosphérique due aux émissions de carbone, etc. Pour faire face à ces problèmes, les recherches intègrent les technologies numériques au transport terrestre, connu sous le nom de système de transport intelligent (ITS). Les ITS peuvent détecter, analyser, collecter, contrôler et communiquer différentes données. Cette thèse étudie et propose un nouveau protocole pour les applications de collecte de données dans un environnement urbain. Nous faisons trois contributions principales. Tout d'abord, nous proposons un nouveau protocole dénommé le protocole "Internet of Bikes" IoB-DTN qui applique le paradigme DTN (Réseau tolérant aux délais) aux applications de l'Internet des objets (IoT) exécutant une application de collecte de données sur un système de partage de vélo urbain basé sur un réseau de capteurs. Le protocole est évalué sur un scénario réaliste en évaluant les politiques de gestion des buffers, le nombre de copies pulvérisé dans le réseau ainsi que le nombre des vélos utilisés. Deuxiément, une évaluation comparative des performances du protocole IoB-DTN multi-sauts avec une technologie de réseau étendu à basse consommation (LPWAN), de type LoRa/LoRaWAN est étudiée. LPWAN a été conçu pour fournir une connectivité à grande distance et rentable pour les applications IoT à faible débit: durée de vie de plusieurs années et une portée de multikilomètres pour les appareils mobiles alimentés par des batteries. Cette partie de notre travail vise à fournir aux concepteurs et aux managers de réseaux des idées sur la technologie la plus pertinente pour leurs applications urbaines pouvant fonctionner sur des systèmes de partage de vélos. Enfin, nous proposons un protocole efficace, IoB-DTN basé sur un mécanisme d’agrégation de données. Nous proposons trois variantes de IoB-DTN: IoB basé sur l'agrégation spatiale (IoB-SA), IoB basé sur l'agrégation temporelle (IoB-TA) et IoB basé sur l'agrégation spatio-temporelle (IoB-STA). Nous comparons les trois variantes avec le protocole multi-saut IoB-DTN sans agrégation et la technologie à faible puissance et longue portée, de type LoRa. Les résultats de la comparaison permettent de vérifier que les trois variantes de l’IoB-DTN basées sur l’agrégation de données améliorent plusieurs paramètres tels que le taux de livraison, la consommation d’énergie et le débit.


  • Résumé

    Transport has become fundamental in the cities to the well functioning of the economy and the welfare of the city population. For several years, transportation faces many issues such as traffic jamming, high accidents rate, unhealthy life due to smoke and dust, air pollution as a result of carbon emission, etc. To deal with these matters, researches integrate digital technologies to ground transportation which is known as Intelligent Transport System (ITS). ITS can sense, analyze, collect, control and communicate different data. This thesis investigates and proposes a new protocol for data collection applications in an urban environment. We make three main contributions: firstly, we propose a new protocol denoted the "Internet of Bikes" IoB-DTN protocol which applies Delay/Disruption Tolerant Network (DTN) paradigm to the Internet of Things (IoT) applications running a data collection application on urban bike sharing system based sensor network. The protocol is evaluated on a realistic scenario by assessing the buffer management policies, the number of copies sprayed in the network as well as the number of bicycles used. Secondly, a comparative evaluation of the performance of the multi-hop IoB-DTN protocol with a low-power wide-area network (LPWAN) technology, LoRa/LoRaWAN type is investigated. LPWAN have been designed to provide cost-effective wide area connectivity for small throughput IoT applications: multiyear lifetime and multikilometer range for battery-operated mobile devices. This part of our work aims at providing network designers and managers insights on the most relevant technology for their urban applications that could run on bike sharing systems. Finally, we propose an efficient IoB-DTN protocol based on data aggregation mechanism. We propose three variants of IoB-DTN: IoB based on spatial aggregation (IoB-SA), IoB based on temporal aggregation (IoB-TA) and IoB based on spatio-temporal aggregation (IoB-STA). We compare the three variants with the multi-hop IoB-DTN protocol without aggregation and the low-power long-range technology, LoRa type. Comparison results verify that the three variants of IoB-DTN based on data aggregation improve several metrics such as the delivery rate, energy consumption and throughput.


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