Collaborative multimedia sensors for a connected and smart city

par Nesrine Khernane

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Ahmed Mostefaoui et de Jean-François Couchot.

Soutenue le 13-11-2018

à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) , Université de Franche-Comté (Site de préparation) et de Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Capteurs multimédias collaboratifs pour une ville connectée et intelligente


  • Résumé

    En raison de leur fort potentiel applicatif dans différents domaines innovants (télésurveillance, télémédecine, etc.), les réseaux de capteurs multimédias sans fil (RCMSF) suscitent l’intérêt de nombreux travaux de recherche. En outre des contraintes soulevées par les réseaux de capteurs scalaires, les RCMSF imposent de nouvelles contraintes liées à la nature même des données capturées et manipulées. En effet, les données multimédias sont, sans aucune mesure, très largement volumineuses en comparaison aux données scalaires. De plus, leur contenu sémantique, très riche, dépendent de la qualité de l’acquisition. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la problématique pratique d’un réseau de capteurs multimédias permettant de renseigner les automobilistes en temps réel sur les places de parking disponibles au niveau d’une ville, voire d’une agglomération. Cependant, de manière générale, les approches proposées dans nos travaux concernent tout RCMSF de surveillance.Dans ce contexte, l’objectif principal reste de maximiser la durée de vie du réseau tout en assurant une qualité perçue acceptable au niveau de la destination et ce sous un contrôle distribué (pour des raisons de passage à l’échelle évidentes). Deux axes sont à considérer : le traitement des données à la source et leur routage.Dans l'axe traitement de données, le problème principal réside dans la « qualité » des données à transmettre. De manière générale, plus la qualité est importante, plus les données sont volumineuses et conséquemment la consommation énergétique est importante et vice-versa. Il s’agit donc de trouver un équilibre qui préserve les ressources énergétiques, c-à-d. maximiser sa durée de vie tout en assurant une qualité acceptable des données envoyées. Cette dernière est le résultat d’un processus d’encodage au niveau de la source.Ainsi, nous avons d'abord abordé l'axe de traitement de données et proposé un algorithme complètement distribué qui maximise la durée de vie du réseau tout en assurant de manière optimale un équilibre entre la puissance d'encodage au niveau de la source et la qualité vidéo exigée au niveau de la destination. Contrairement aux approches existantes, notre algorithme, de nature distribuée, est assuré de trouver un tel compromis quelle que soit la configuration initiale du réseau.En raison de la complexité de ce problème, notamment dans un contexte décentralisé, les travaux antérieurs n’ont traité que la partie traitement de données indépendamment du routage. En d’autres termes, le routage a été considéré comme une entrée.Dans les travaux de recherche de cette thèse, nous avons par la suite montré que le routage impacte directement les résultats du processus de prolongation de la durée de vie du réseau. En effet, nous avons analysé le comportement de plusieurs protocoles de routage dans les RCMSF et les résultats obtenus ont mis en exergue cette influence. Nous avons donc proposé un modèle analytique intégrant de facto et le codage des données au niveau des sources et leur routage jusqu’à la station de traitement. Nous avons développé une résolution semi-distribuée de ce problème. Les résultats obtenus étaient très encourageants.Ainsi, dans la deuxième partie, une solution entièrement distribuée a été proposée, dans laquelle, l'axe de routage ne peut pas être réalisé sans les paramètres déterminés et mis à jour par l'axe de traitement de données, et inversement. La solution proposée permet: a) un routage de bout en bout avec des décisions locales dans chaque nœud capteur et b) de déterminer le nombre suffisant de chemins nécessaires pour assurer une transmission fiable de données.Pour la suite, nous avons complété nos travaux en considérant plus de contraintes réalistes, notamment la fiabilité des liens ainsi que la variation de leurs capacités (en fonction de l'énergie restante des nœuds intermédiaire). Les résultats de simulation ont montré une économie d’environs 25% de l'énergie totale.


  • Résumé

    Due to their high application potential in various innovative fields (telemonitoring, telemedicine, etc.), Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSN) arouse the interest of numerous research projects. In addition to inherent constraints of scalar sensor networks in terms of energy limitation, deployment, coverage, reliability, ..., WMSNs impose new constraints related to the captured data. Indeed, multimedia data are very voluminous in comparison to scalar data and, in addition, have a time constraint (real-time delivery). Moreover, their semantic content, very rich, is subject to different perceptions and interpretations depending on the quality of the acquisition. As a target application, this dissertation focuses detecting available car parking spaces within a large city or a metropolis. Nevertheless, the proposed approaches can be used for a wide variety of WMSN applications for surveillance purposes.In this context, the main objective remains the network lifetime maximization while ensuring an acceptable perceived quality at the destination station. The studied approaches are of a distributed nature for scalability reasons, required in WMSN. Two main axes have been targeted: data processing at source nodes and data routing toward the destination.In the data processing axis, the main problem lies in the quality of the data to be transmitted. In general, the higher the quality is, the larger the data are, and consequently more important is the energy consumption and vice versa. It is therefore a question of finding a balance that preserve the energy resources; i.e. maximize the network lifetime while ensuring an acceptable quality of the sent data. The latter is the result of an encoding process at the source level.Thus, we proposed a fully distributed algorithm that maximizes the network lifetime by optimally balancing the encoding power and the source rate at the source node in order to meet a desired visual quality at the destination station. In opposition to existing approaches, our algorithm, of distributed nature, is ensured to find such a trade-off whatever the initial network configuration is.As a second step, we focuses on data routing. In fact, due to the complexity of this problem, especially in a decentralized context, literature works have not considered jointly data processing and routing. In other words, routing was considered as a network input.In the research work of this thesis, we have subsequently shown that the routing directly impacts the results of the network lifetime maximization process. Indeed, we have analyzed the behavior of several routing protocols in WMSN and the obtained results highlighted this influence. We have therefore proposed an analytic model integrating simultaneously the encoding of data at the source nodes and their routing to the base station. We have developed a semi-distributed resolution of this problem. The results obtained were very encouraging.Thus, in the second part, a fully distributed solution was proposed, in which, the routing axis cannot be achieved without the parameters, that should be determined and updated by the data processing axis. On the other hand, the data processing axis cannot be achieved without the routing tables updated by the routing axis. The proposed solution allows: a) an end-to-end routing with local decisions at each video sensor node and b) the choose of the sufficient number of paths needed to ensure a reliable data transmission.For the rest, we have completed our work by considering more realistic constraints, in particular the dynamic reliability of the links as well as the variation of their capacities (according to the remaining energy of the intermediate nodes). The simulation results showed savings of around 25% of the total energy.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2018 par UFC à Besançon

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Informations

  • Sous le titre : Collaborative multimedia sensors for a connected and smart city
  • Détails : 1 vol. (168 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.159-168
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