= Analyse du compromis énergie-délai pour les transmissions radio multi-sauts dans les réseaux de capteurs

Analysis of energy-delay performance in multi-hop wireless sensor networks

• Auteur / Autrice : Ruifeng Zhang
• Direction : Jean-Marie Gorce
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon (2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CITI - Centre d'Innovation en Télécommunications et Intégration de services (Lyon, INSA)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fiabilité

Électronique industrielle

Capteurs (technologie)

Technologie de l'information

Systèmes de communication sans fil

Résumé

Les réseaux de capteurs sans fil représentent un nouveau paradigme dans les réseaux de communication qui permet de développer de nombreuses applications allant de la surveillance de l’environnement aux applications militaires. Les performances de ces réseaux peuvent être caractérisées par trois fonctions objectives caractérisant les transmissions de bout en bout: la fiabilité, le délai et la consommation d’énergie. Cette thése a pour but de trouver les param¨¨tres optimaux afin d’améliorer les performances de la couche physique, la couche MAC ainsi que la couche protocolaire des réseaux de capteurs. Dans ce travail, nous considérons la fiabilité comme un critère prépondérant et la traitons comme une contrainte dure. La consommation d’énergie et le délai de transmission sont considérés comme des contraintes secondaires concurrentes. Comme dans tous les réseaux radio, dans les réseaux de capteurs sans fil, les canaux radios ne sont pas fiables. Pour assurer la fiabilité bout-en-bout, la plupart des travaux existants, excluent les liens radios non fiables de la communication et se focalisent sur la sélection des liens fiables. Nous nous différencions par rapport à ces travaux par la prise en compte aussi bien des liens fiables que des liens non fiables. Nous démontrons aussi que les performances telles que la consommation d’énergie et le délai de transmission sont considérablement améliorées en exploitant efficacement les liens non fiables dans les réseaux, et tout en garantissant une fiabilité de bout en bout importante. Dans une première partie de la thèse, nous analysons le compromis entre la consommation d’énergie et le délai dans les réseaux multi-saut classiques. Nous proposons deux métriques. La première exprime l’efficacité énergétique sous la forme du rapport moyen énergie-distance par bit. La seconde exprime le délai sous la forme du rapport moyen délai-distance par bit. En utilisant ces deux métriques et un modèle réaliste de liaison radio à erreur, nous déduisons l’ensemble des solutions de compromis Energie-Délai sous la forme du front de Pareto à partir des performances d’une transmission à un saut, et obtenons une formule exprimant le compromis Energie-Délai. Ces résultats sont étendus aux transmissions multi-sauts. Ensuite, nous validons la limite inférieure à l’aide de simulations, sur des réseaux 2-D, issues d’une distribution Poissonnienne. Les analyses théoriques et les simulations montrent que les liens non-fiables dans les transmissions multi-sauts contribuent à améliorer l’efficacité énergétique du système ix évanouissements rapides de Rayleigh et le canal à évanouissements de Rayleigh par blocs. Sur la base de l’expression de la borne inférieure du compromis Energie-Délai, un cadre multi-couche est fourni pour optimiser les param¨¨tres des couches physique, MAC et routage sous contrainte de délai. Dans la seconde partie de la thèse, nous abordons après la non-fiabilité, une autre caractéristique importante des canaux sans fil, qui a trait à la nature diffusante des communications radio. Les communications opportunistes exploitent ces deux propriétés pour améliorer la performance du réseau. Nous analysons les performances d’énergie et de délai des communications opportunistes ainsi que l’optimisation des paramètres connexes. D’abord, nous proposons un cadre de conception pour évaluer l’efficacitè énergétique des communications opportunistes. Ce dernier fournit une méthode pour optimiser les différents mécanismes opportunistes. Ensuite, nous déduisons la borne inférieure du compromis Energie-Délais dans les communications opportunistes, tout en tenant compte du mécanisme de sélection des candidats pour une transmission optimale. La fromule exprimant la borne inférieure est obtenue sous l’hypothèse d’un nombre fixe de candidats à retransmettre. Un algorithme de recherche du nombre optimal de candidats est également proposé. Selon les analyses théoriques obtenues, nous proposons un nouvel algorithme opportuniste pour minimiser la consommation d’énergie face à une limite de délai moyen et intégrant les couches MAC et routage. Les résultats des simulations sur les mécanismes opportunistes proposés dans un réseau issu d’une distribution Poissonnienne correspondent à la limite inférieure théorique du compromis Energie-Délai. Enfin, nous discutons l’optimisation des paramètres de la couche physique. Dans la troisième partie de la thèse, nous considérons l’aspect coopératif des transmissions. Dans les communications opportunistes, seule la coopération de réception est réalisée, tandis que dans les communications coopératives prennent en compte une coopération des deux côtés : récepteur et émetteur. Dans cette partie, nous considérons l’approche CMIMO (cooperative multiple input multiple output). D’abord, nous analysons la baisse liée au compromis Energie-Délai de CMIMO par l’exploitation d’un modèle de liaison non fiable lorsque le nombre d’émetteurs et de récepteurs coopératifs est fixe. Ensuite, nous fournissons un algorithme de recherche du nombre optimal de noeuds coopératifs de chaque côté. Enfin, nous comparons les limites inférieures de ces trois schémas de communication dans les différents canaux respectivement. Les résultats obtenus montrent que pour parvenir à une meilleure performance Energie-Délai, les mécanismes de communication suivants devraient être adoptés selon le type de canal : les communications multi-saut traditionnelles sont les plus performantes pour le canal à bruit additif blanc Gaussien, alors que les communications opportunistes le sont pour les canaux à évanouissements de Rayleigh par blocs et enfin le CMIMO pour les canaux à évanouissements rapides de Rayleigh

Wireless sensor networks (WSNs) have introduced a new paradigm of communication between devices, which are applied to different scenarios. These applications demand three important performance parameters: the end-to-end reliability, the end-to-end delay and the overall energy consumption. Due to the fundamentality of reliability in many applications, we consider it in this thesis as a hard constraint, and the other two performance criteria, i. E. , energy and delay are exploited as a couple of competing criteria. Meanwhile, since unreliability is an inherent property of wireless channels, unreliable links are efficiently exploited to improve the energy-delay performance. We propose a metric for energy efficiency: mean energy distance ratio per bit and a metric for mean delay: mean delay distance, which are combine with the unreliable link model. Using these two metrics and a realistic unreliable link model, the lower bounds and the Pareto front of energy-delay trade-off are derived for three kinds of communication schemes: traditional multi-hop communications, opportunistic communications and cooperative MIMO (CMIMO) communications in three different channels: Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel, Rayleigh block fading channel and Rayleigh flat fading channel. The close-form expression of these low bounds are obtained and verified by the simulations in 2-dimension Poisson networks. Furthermore, these results are applied to optimise the parameters of a network including physical and protocol layers. Finally, the lower bounds of the above three communication schemes are compared in different channels respectively. The results show that in order to achieve better energy-delay performance, the corresponding communication scheme should be adopted for different channels: traditional multi-hop communications for AWGN channel, opportunistic communications for Rayleigh block fading channel and CMIMO for Rayleigh flat fading channel