Routage efficace et garanti dans les réseaux de capteurs sans fil

par Henry-Joseph Audeoud

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Martin Heusse.

Soutenue le 09-12-2019

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'informatique de Grenoble (laboratoire) et de Drakkar (équipe de recherche) .

Le président du jury était Bernard Tourancheau.

Le jury était composé de Martin Heusse, Anthony Claude Busson, Thomas Noël, Nathalie Mitton.

Les rapporteurs étaient Anthony Claude Busson, Thomas Noël.


  • Résumé

    Les réseaux de capteurs sans fil qui nous occupent dans cette thèse sont un ensemble d’appareils connectés les uns aux autres par des technologies bas débit et faible consommation. Leur rôle est de prendre des mesures sur l’environnement physique qui les entoure (suivis météoclimatiques, contrôles d’installationsindustrielles, relevés de l’état des réseaux de distributions, surveillance topographique. . . ). Ces mesuresdoivent ensuite être collectées vers l’extérieur du réseau. Comme les capteurs ont une courte portée decommunication radio, les transmissions sont faites en multisaut, les capteurs proches de la destinationrelayant l’information émise par ceux qui en sont plus éloignés. À cause du mouvement des nœuds eux-mêmes ou d’objets dans leur environnement perturbant les communications sans fil, la topologie exactedu réseau est sujette à des changements. De plus, les capteurs eux-mêmes, alimentés par batterie pour laplupart, sont limités en énergie et par là en capacité de transmission. Les techniques d’économie d’énergieappliquées pour éteindre la radio la plupart du temps imposent alors des contraintes de synchronisationsupplémentaires.Pour acheminer l’information dans le réseau, le protocole de routage établit des routes, de façon à ceque les capteurs puissent relayer l’information depuis et jusqu’au routeur de bordure du réseau à traversdes liens fiables et conduisant jusqu’à la destination à travers des chemins courts. À cause des limitationsdes capteurs, le protocole de routage doit être efficace en énergie, c’est-à-dire que la surcharge des trans-missions radio impliquées par le protocole de routage lui-même doit être aussi légère que possible. Il doitaussi être capable de rétablir la connectivité en cas de changement dans la topologie du réseau, et ce sanscréer de boucles de routage pénalisant tant la qualité de service que les réserves d’énergie des nœuds.Ce document décrit un protocole de routage répondant à ces objectifs. Il est capable de créer un arbrede collecte autoréparant permettant d’extraire l’information hors du réseau, ainsi que des routes pour dis-tribuer des commandes ou des accusés de réception aux nœuds. Il valide aussi le chemin emprunté parchaque paquet transmis afin de garantir qu’ils n’entrent jamais dans une boucle de routage. Le protocoleest mis en situation dans des simulations et aussi des expérimentations en plateforme réelle, montrant l’ef-ficacité des mécanismes proposés.Afin d’améliorer sa capacité à choisir les meilleurs liens disponibles, je propose également l’utilisationd’une nouvelle estimation de leur qualité. Elle est basée sur deux mesures complémentaires : une mesure àlong terme du niveau de bruit ambiant présent sur le canal radio, et une mesure ponctuelle de la puissancedu signal reçu de l’émetteur. Ces deux mesures fournissent une estimation du rapport signal à bruit, etpar là du taux de réception attendu. Cette estimation est à la fois précise, rapide à obtenir, et adaptée auxcontraintes des capteurs et des réseaux desquels nous parlons.

  • Titre traduit

    Efficient and guaranteed routing in wireless sensors networks


  • Résumé

    The wireless sensor networks that we work with in this thesis are a set of devices connected to eachother by low-rate and low-power technologies. Their role is to produce measures on the physical environ-ment around them (meteorological and climate condition tracking, monitoring of industrial installations,control of distribution grids, topographical surveillance. . . ). These measures must then be collected out ofthe network. Since the sensors have short range radios, transmissions are multi-hop, the sensors close tothe destination relaying the information transmitted by those which are further away from it. Because ofthe movement of the nodes themselves or of objects in their environment interfering with wireless commu-nications, the exact topology of the network is subject to change. In addition, the battery-powered sensorsare limited in energy and therefore in transmission abilities. The power-saving techniques applied to turnoff the radio most of the time impose synchronization constraints.To route information through the network, the routing protocol establishes routes, so that the sensorscan relay information from and to the network border router through reliable links leading to the destina-tion through short paths. Due to sensor limitations, the routing must be energy efficient, i.e. the overloadof the radio transmissions involved by the routing algorithm itself must be as lightweight as possible. Itmust also be able to restore connectivity on a network topology change without creating routing loops thatnegatively impact the quality of service and the energy reserves of the nodes.This document describes a routing protocol that meets these objectives. It is capable of creating a self-healing collection tree that extracts information out of the network, as well as from the routes to distributecommand messages or acknowledgment to the nodes. It also validates the data path of each packet toensure that they never enter a routing loop. The protocol is run in simulations and also on real platformexperiments, showing the effectiveness of the proposed mechanisms.In order to improve its ability to choose the best available links, I also propose the use of a new esti-mation of their quality. It is based on two complementary measurements: a long-term measurement ofthe ambient noise level on the radio channel, and a measurement of the power of the signal received fromthe transmitter. These two measurements provide an estimate of the signal-to-noise ratio, and thereby theexpected reception rate. This estimate is both accurate, quick to obtain, and adapted to the constraints ofsensors and networks we are talking about.


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