Approches cross-layer pour l'optimisation de la latence des communications dans les réseaux de capteurs sans fil

• Auteur / Autrice : Lemia Louail
• Direction : Hervé Guyennet, Violeta Felea
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 09/12/2016
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Jury : Président / Présidente : Laurent Philippe
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Guyennet, Violeta Felea, Laurent Philippe, Ye-Qiong Song, Zoubir Mammeri, Olivier Flauzac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ye-Qiong Song, Zoubir Mammeri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protocoles de réseaux d'ordinateurs

Réseaux locaux sans fil

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Réseaux de capteurs sans fil

Approches cross-layer

Ordonnancement TDMA

Arbre de routage

Latence des communications

Wireless sensor networks

Cross-layer approaches

TDMA schedules

Routing tree

Communication latency

Résumé

Pour assurer les communications dans un réseau de capteurs sans fil, les capteurs utilisent un modèle simplifié de protocoles en couches inspiré du modèle OSI. Ce modèle comporte cinq couches, chaque couche devant assurer des fonctionnalités indépendantes et particulières. Nous nous intéressons à deux couches qui sont impliquées directement dans les décisions assurant les communications, la couche Liaison de données dans laquelle le protocole MAC assure la coordination des communications entre voisins directs, et la couche Réseau dans laquelle le protocole de routage est responsable de trouver une route entre un émetteur et un récepteur. Chacune des deux couches vise à améliorer certaines métriques, comme la latence, mais les décisions incohérentes venant de différents protocoles peuvent ne pas le permettre. Par conséquent, les décisions spatiales du protocole de routage et les décisions temporelles du protocole MAC doivent être corrélées pour optimiser la latence des communications. Les protocoles cross-layer résolvent ce problème soit en assurant des communications entre des protocoles des deux couches, soit en combinant les deux couches en une nouvelle couche. Dans ce contexte, cette thèse étudie les protocoles cross-layer existants entre MAC et routage et propose de nouvelles approches ayant comme but de minimiser la latence des communications. Dans un premier temps, nous avons proposé un protocole de routage qui utilise des informations du protocole MAC qu’est un TDMA pour trouver un chemin entre le noeud qui capte les données et la station de base tout en minimisant la latence des communications [1]. Ensuite, nous nous sommes intéressés au cas inverse, i.e. des approches MAC qui utilisent des informations de routage pour établir des ordonnancements TDMA de communication pour les nœuds du réseau, ces ordonnancements visant toujours à optimiser la latence des communications [2, 3, 5].Enfin, dans [4], nous avons proposé une approche qui combine un protocole MAC et un protocole de routage en un seul protocole.

Traditionally, in Wireless Sensor Networks, protocols are designed independently in the layered protocol stack, and metrics involved in several layers can be affected. Communication latency is one metric example, impacted by both the routing protocol in the network layer and the MAC protocol in the data link layer. Cross-layer protocols are known to be more efficient when exploiting the dependencies between these layers.In this context, and aiming to minimize the communication latency, we propose different cross-layer approaches concerning routing trees and TDMA schedules. First, we propose a routing approach using information of the TDMA schedule. Then, we propose different TDMA scheduling approaches which use information of the routing tree. Finally, we propose an approach that combines MAC and routing to produce a routing tree and a TDMA schedule simultaneously. Extensive simulations have shown better results of our contributions compared to the state of the art in terms of latency. Other metrics such as the energy consumption, the duty cycle of the nodes and the number of hops in the routing paths were also considered during the evaluation of our contributions.