Opportunistic data collection and routing in segmented wireless sensor networks

par Juliette Garcia

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Alain Pirovano et de Mickaël Royer.

Soutenue le 07-12-2020

à Toulouse 3 , dans le cadre de École doctorale Systèmes (Toulouse) , en partenariat avec École Nationale de l'Aviation Civile (Toulouse) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Collecte de données opportuniste et routage dans des réseaux de capteurs sans fil segmentés


  • Résumé

    La surveillance régulière des opérations dans les aires de manoeuvre (voies de circulation et pistes) et aires de stationnement d'un aéroport est une tâche cruciale pour son fonctionnement. Les stratégies utilisées à cette fin visent à permettre la mesure des variables environnementales, l'identification des débris (FOD) et l'enregistrement des statistiques d'utilisation de diverses sections de la surface. Selon un groupe de gestionnaires et contrôleurs d'aéroport interrogés, cette surveillance est un privilège des grands aéroports en raison des coûts élevés d'acquisition, d'installation et de maintenance des technologies existantes. Les moyens et petits aéroports se limitent généralement à la surveillance de quelques variables environnementales et des FOD effectuée visuellement par l'homme. Cette dernière activité impose l'arrêt du fonctionnement des pistes pendant l'inspection. Dans cette thèse, nous proposons une solution alternative basée sur les réseaux de capteurs sans fil (WSN) qui, contrairement aux autres méthodes, combinent les propriétés de faible coût d'installation et maintenance, de déploiement rapide, d'évolutivité tout en permettant d'effectuer des mesures sans interférer avec le fonctionnement de l'aéroport. En raison de la superficie d'un aéroport et de la difficulté de placer des capteurs sur des zones de transit, le WSN se composerait d'une collection de sous-réseaux isolés les uns des autres et du puits. Pour gérer cette segmentation, notre proposition s'appuie sur l'utilisation opportuniste des véhicules circulants dans l'aéroport considérés alors comme un type spécial de nœud appelé Mobile Ubiquitous LAN Extension (MULE) chargé de collecter les données des sous-réseaux le long de son trajet et de les transférer vers le puits. L'une des exigences pour le déploiement d'un nouveau système dans un aéroport est qu'il cause peu ou pas d'interruption des opérations régulières. C'est pourquoi l'utilisation d'une approche opportuniste basé sur des MULE est privilégiée dans cette thèse. Par opportuniste, nous nous référons au fait que le rôle de MULE est joué par certains des véhicules déjà existants dans un aéroport et effectuant leurs déplacements normaux. Et certains nœuds des sous- réseaux exploiteront tout moment de contact avec eux pour leur transmettre les données à transférer ensuite au puits. Une caractéristique des MULEs dans notre application est qu'elles ont des trajectoires structurées (suivant les voies de circulation dans l'aéroport), en ayant éventuellement un contact avec l'ensemble des nœuds situés le long de leur trajet (appelés sous-puits). Ceci implique la nécessité de définir une stratégie de routage dans chaque sous-réseau, capable d'acheminer les données collectées des nœuds vers les sous-puits et de répartir les paquets de données entre eux afin que le temps en contact avec la MULE soit utilisé le plus efficacement possible. [...]


  • Résumé

    The regular monitoring of operations in both movement areas (taxiways and runways) and non-movement areas (aprons and aircraft parking spots) of an airport, is a critical task for its functioning. The set of strategies used for this purpose include the measurement of environmental variables, the identification of foreign object debris (FOD), and the record of statistics of usage for diverse sections of the surface. According to a group of airport managers and controllers interviewed by us, the wide monitoring of most of these variables is a privilege of big airports due to the high acquisition, installation and maintenance costs of most common technologies. Due to this limitation, smaller airports often limit themselves to the monitoring of environmental variables at some few spatial points and the tracking of FOD performed by humans. This last activity requires stopping the functioning of the runways while the inspection is conducted. In this thesis, we propose an alternative solution based on Wireless Sensor Network (WSN) which, unlike the other methods/technologies, combines the desirable properties of low installation and maintenance cost, scalability and ability to perform measurements without interfering with the regular functioning of the airport. Due to the large extension of an airport and the difficulty of placing sensors over transit areas, the WSN might result segmented into a collection of subnetworks isolated from each other and from the sink. To overcome this problem, our proposal relies on a special type of node called Mobile Ubiquitous LAN Extension (MULE), able to move over the airport surface, gather data from the subnetworks along its way and eventually transfer it to the sink. One of the main demands for the deployment of any new system in an airport is that it must have little or no interference with the regular operations. This is why the use of an opportunistic approach for the transfer of data from the subnetworks to the MULE is favored in this thesis. By opportunistic we mean that the role of MULE will be played by some of the typical vehicles already existing in an airport doing their normal displacements, and the subnetworks will exploit any moment of contact with them to forward data to the sink. A particular characteristic of the MULEs in our application is that they move along predefined structured trajectories (given by the layout of the airport), having eventual contact with the set of nodes located by the side of the road (so-called subsinks). This implies the need for a data routing strategy to be used within each subnetwork, able to lead the collected data from the sensor nodes to the subsinks and distribute the data packets among them so that the time in contact with the MULE is used as efficiently as possible. In this thesis, we propose a routing protocol which undertakes this task. Our proposed protocol is named ACME, standing for ACO-based routing protocol for MULE-assisted WSNs.[...]


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2020 par Université Paul Sabatier à Toulouse

Opportunistic data collection and routing in segmented wireless sensor networks


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Informations

  • Sous le titre : Opportunistic data collection and routing in segmented wireless sensor networks
  • Détails : 1 vol. (IX-165 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 143-160
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