Deterministic Networking for the Industrial IoT

par Keoma Brun-Laguna

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Thomas Watteyne et de Pascale Minet.

Le président du jury était Marcelo Dias De Amorim.

Le jury était composé de Lance Doherty.

Les rapporteurs étaient Fabrice Théoleyre, Sofie Pollin.

  • Titre traduit

    Réseaux déterministes pour l'internet des objets industriel


  • Résumé

    L’Internet des Objets (IoT) a évolué d’un toaster connecté en 1990 vers des réseaux de centaines de petit appareils utilisés dans des applications industrielle. Ces « Objects » sont habituellement de petit appareils électroniques capable de mesurer une valeur physique (température, humidité, etc.) et/ou d’agir sur le monde physique (pump, valve, etc.). De part leur faible coût et leur facilité de déploiement, ces réseaux sans fil alimentés par batteries ont étés rapidement adoptés. La promesse des communications sans fil est d’offrir une connectivité similaire au réseau filaires. De nombreuses amélioration ont étés fait dans ce sens, mais plein de défis restent à surmonter car les applications industrielles ont de fortes exigences opérationnelles. Cette section de l’IoT s’appelle l’Internet Industriel des Objets. La principale exigence est la fiabilité. Chaque bout d’information transmit dans le réseau ne doit pas être perdu. Des solutions commerciales sont aujourd’hui accessibles et propose des fiabilités de l’ordre de 99.999 %. C’est à dire, pour chaque centaine de paquet d’information généré, moins d’un est perdu. Vient ensuite la latence et l’efficience énergétique. Comme ces appareils sont alimentés par des batteries, ils doivent consommer le moins possible et être capable d’opérer pendant des années. La prochaine étape pour l’IoT est d’être appliqué au applications nécessitant des garanties de latence. Les technologies de l’IIoT sont maintenant adoptés par de nombreuses entreprises autour du monde et sont maintenant des technologies éprouvées. Néanmoins des défis restent à accomplir et certaines limites de ces technologies ne sont pas encore connues. Dans ce travail, nous nous adressons au réseaux sans fils fondés sur TSCH dont nous testons les limites de latence et de durée de vie dans des conditions réelles. Nous avons collecté plus de 3M statistiques réseaux et 32M données de capteurs dans 11 déploiements sur un total de 170,037 heures machines dans des environnements réels ainsi que dans des bancs d’essais. Nous avons réuni ce que nous pensons être le plus grand jeu de données de réseau TSCH disponible à la communauté réseau. En s’appuyant sur ces données et sur notre expérience des réseaux sans fils en milieu réel, nous avons étudié les limites des réseaux TSCH et avons fourni des méthodes et outils qui permettent d’estimer des performances de ces réseaux dans diverses conditions. Nous pensons avoir assemblé les bons outils pour que les architectes de protocoles réseaux construise des réseaux déterministes pour l’IIoT.


  • Résumé

    The Internet of Things (IoT) evolved from a connected toaster in 1990 to networks of hundreds of tiny devices used in industrial applications. Those “Things” usually are tiny electronic devices able to measure a physical value (temperature, humidity, etc.) and/or to actuate on the physical world (pump, valve, etc). Due to their cost and ease of deployment, battery-powered wireless IoT networks are rapidly being adopted. The promise of wireless communication is to offer wire-like connectivity. Major improvements have been made in that sense, but many challenges remain as industrial application have strong operational requirements. This section of the IoT application is called Industrial IoT (IIoT). The main IIoT requirement is reliability. Every bit of information that is transmitted in the network must not be lost. Current off-the-shelf solutions offer over 99.999% reliability. That is, for every 100k packets of information generated, less than one is lost. Then come latency and energy-efficiency requirements. As devices are battery-powered, they need to consume as little as possible to be able to operate during years. The next step for the IoT is to target time-critical applications. Industrial IoT technologies are now adopted by companies over the world, and are now a proven solution. Yet, challenges remain and some of the limits of the technologies are still not fully understood. In this work we address TSCH-based Wireless Sensor Networks and study their latency and lifetime limits under real-world conditions. We gathered 3M network statistics 32M sensor measurements on 11 datasets with a total of 170,037 mote hours in real-world and testbeds deployments. We assembled what we believed to be the largest dataset available to the networking community. Based on those datasets and on insights we learned from deploying networks in real-world conditions, we study the limits and trade-offs of TSCH-based Wireless Sensor Networks. We provide methods and tools to estimate the network performances of such networks in various scenarios. We believe we assembled the right tools for protocol designer to built deterministic networking to the Industrial IoT.


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