Collecte et transmission de données dans des réseaux de capteurs virtuels programmables

par Dereje Molla

Projet de thèse en Informatique

Sous la direction de Laurent George.


  • Résumé

    Le développement de capteurs intelligents au cours des dernières années a donné un coup de pouce significatif aux progrès réalisés dans les réseaux de capteurs sans fil. Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) sont constitués de nœuds de capteurs et de nœuds de puits ayant des interfaces radio de faible puissance et déployés sans notre infrastructure sur une zone d'intérêt. La gestion de ces nœuds pose plusieurs défis en raison de contraintes de dispositif, par ex. puissance de calcul et mémoire limitées, énergie, bande passante de communication, sécurité, etc. Dans ce contexte, les approches définies par logiciel peuvent être intéressantes pour une meilleure efficacité de la collecte de données. Ce problème sera adressé à la couche physique par (i) des approches de radio définie par logiciel (SDR) et (ii) à une couche supérieure par des réseaux définis par logiciel (SDN). - Collecte de données et transfert depuis les nœuds puits de différents WSN hétérogènes vers le centre de contrôle. Une solution consiste à utiliser le modèle des abeilles. Comme une abeille vole de fleur en fleur recueillant le nectar et le pollen et revient à la ruche, on peut imaginer un véhicule en mouvement (ou peut-être drone en cas de crise et d'inondation) récoltant des données de différents noeuds puits et les transmettant au centre de contrôle en utilisant des réseaux radio longue portée (cellulaire, M2M, ... ). Pour cette solution, les véhicules devraient être équipés de capacités SDR, permettant la reconfiguration du terminal pour recevoir des données de tout type de technologie radio des capteurs déployés. Une autre solution consisterait à équiper les nœuds de puits de technologies Low-Power Wide Area Network (LPWAN) (LoRa, SigFox, IEEE 802.11ah, EC-GPRS, Cat M, NB-IoT, ...). Afin de comparer les performances des deux solutions, des résultats analytiques, de simulation et réels doivent être considérés. -Le réseau défini par logiciel (SDN) est un nouveau paradigme prometteur qui supprime le plan de contrôle d'un périphérique réseau (commutateur, nœud de capteur, ...), laissant au périphérique uniquement la fonctionnalité de transfert de données. Ce modèle peut répondre à la plupart des problèmes rencontrés par les réseaux WSN, en particulier la contrainte d'énergie, qui est essentielle pour prolonger la durée de vie du réseau. Lorsque nous associons une technologie SDN à la technique NFV (Network Functions Visualization), un numéro WSN peut être découpé en plusieurs réseaux virtuels personnalisés offrant de nouveaux services optimisés. Pour cette partie de la thèse, l'objectif est: 1) de proposer et de construire un véritable banc d'essai SDN pour gérer les WSN à grande échelle et hétérogènes, et 2) de développer une stratégie NFV pour déployer de nouveaux services et reconfigurer les configurations WSN dans le cas de les situations critiques qui nécessitent de modifier la topologie du réseau (par exemple, les inondations).

  • Titre traduit

    Data collection and forwarding in programmable virtual sensor networks


  • Résumé

    The development of smart sensors in recent years has given a significant boost to the advancements in wireless sensor networks. Wireless sensor networks (WSN) consist of sensor nodes and sink nodes having low-power radio interfaces and deployed with our without an infrastructure over an area of interest. Managing these nodes poses several challenges due to device constraints, e.g. limited computational power and memory, energy, communication bandwidth, security, etc. In that context, Software Defined approaches can be interesting for better data collection efficiency. This problem will be addressed at physical layer by (i) Software Defined Radio (SDR) approaches and (ii) at higher layer by Software Defined Networks (SDN). - Data collection and forwarding from sink nodes of different and heterogeneous WSNs to the control centre. One solution consists of using the bees model. As a bee flies from flower to flower collecting nectar and pollen and returns to the hive, we can imagine a moving vehicle (or perhaps drone in the case of crisis and flooding) collecting data from different sink nodes and forwarding them to the control center using long-range radio networks (cellular, M2M, ...). For this solution, vehicles should be equipped with SDR capabilities, allowing the reconfiguration of the terminal to receive data from any type of radio technology of the deployed sensors. Another solution would consist in equipping the sink nodes with low-Power Wide Area Network (LPWAN) technologies (Lora, SigFox, IEEE 802.11ah, EC-GPRS, Cat M, NB-IoT, ...). In order to compare the performance of both solutions, analytical, simulation and real-world results should be considered. - Software-defined networking (SDN) is a promising novel paradigm that removes the control plane from a network device (switch, sensor node, ...), leaving the device with only data forwarding functionality. This model can address most of the challenges of WSNs, especially the energy constraint, which is essential to extend the network lifetime. When we associate an SDN technology with Network Functions Visualization (NFV) technique, a WSN can be sliced into multiple customized virtual networks offering new optimized services. For this part of thesis, the objective is: 1) to propose and build a real SDN architecture testbed to manage large-scale and heterogeneous WSNs, and 2) to develop an NFV strategy to deploy new services and reconfigure WSNs configurations in the case of critical situations that require changing the network topology (e.g. floodings).