Optimisation énergétique des protocoles de communication des réseaux de capteurs sans fil

Energy optimization of communication protocols of the WSN

• Auteur / Autrice : Rivo Sitraka A. Randriatsiferana
• Direction : Jean-Daniel Lan Sun Luk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux et télécommunications
• Date : Soutenance le 03/12/2014
• Etablissement(s) : La Réunion
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Technologies et Santé (Saint-Denis, La Réunion)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’énergétique, d’électronique et procédés (Saint-Denis, Réunion) - Laboratoire d'Energétique- d'Electronique et Procédés / LE2P
• Jury : Président / Présidente : Abdelhamid Mellouk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Daniel Lan Sun Luk, Abdelhamid Mellouk, Tahiry Razafindralambo, Frédéric Alicalapa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tahiry Razafindralambo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Scalabilité (informatique)

Ordonnancement (informatique)

Économies d'énergie

Systèmes de communication sans fil

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Éfficacité énergétique

Durée de vie

Sélection des cluster-Heads

Variance d'énergie

Équilibrage énergétique

Auto-Ordonnancement

Scalabilité

Energy efficiency

Lifetime

Cluster-Head selection

Variance energy

Energy distribution

Auto-Scheduling

Scalability

Résumé

Pour augmenter la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil, une solution est d'améliorer l'efficacité énergétique des protocoles de communication. Le regroupement des nœuds du réseau de capteurs sans fil en cluster est l'une des meilleures méthodes. Cette thèse présente propose plusieurs améliorations en modifiant les paramètres du protocole de référence LEACH. Pour améliorer la distribution énergétique des "cluster-heads", nous proposons deux protocoles de clustering centralisés k-LEACH et sa version optimisée k-LEACH-VAR. Un algorithme distribué, appelé e-LEACH, est également proposé pour réduire l'échange d'information périodique entre les nœuds et la station de base lors de l'élection des "cluster-heads". Par ailleurs, le concept l'équilibrage énergétique est introduit dans les métriques d'élection pour éviter les surcharges des nœuds. Ensuite, nous présentons une version décentralisée de k-LEACH qui, en plus des objectifs précédents, intègre la consommation d'énergie globale du réseau. Ce protocole, appelé, k-LEACH-C2D, vise également à favoriser la scalabilité du réseau. Pour renforcer ce dernier et l'autonomie des réseaux, les deux protocoles de routage "multi-hop" probabiliste, dénotés FRSM et CB-RSM construisent des chemins élémentaires entre les "cluster-heads" et la station de base. Le protocole CB-RSM forme une hiérarchie des "cluster-heads" pendant la phase de formation des clusters, en mettant un accent sur l'auto-ordonnancement et l'auto-organisation entre les "cluster-heads" pour rendre les réseaux le plus "scalable". Ces différents protocoles reposent sur l'idée de base que les nœuds ayant l'énergie résiduelle la plus élevée et la plus faible variance de consommation de l'énergie deviennent "cluster-head". Nous constantans le rôle central de la consommation du nœud dans nos différentes propositions. Ce point fera l'objet de la dernière partie de cette thèse. Nous proposons une méthodologie pour caractériser expérimentalement la consommation d'un nœud. Les objectifs visent à mieux appréhender la consommation pour différentes séquences d'état du nœud. Enfin, nous proposons un modèle global de la consommation du nœud.

To increase the lifetime of wireless sensor networks, a solution is to improve the energy efficiency of the communication's protocol. The grouping of nodes in the wireless sensor network clustering is one of the best methods. This thesis proposes several improvements by changing the settings of the reference protocol LEACH. To improve the energy distribution of "cluster-heads", we propose two centralized clustering protocols LEACH and k-optimized version k-LEACH-VAR. A distributed algorithm, called e-LEACH, is proposed to reduce the periodic exchange of information between the nodes and the base station during the election of "cluster-heads". Moreover, the concept of energy balance is introduced in metric election to avoid overloading nodes. Then we presented a decentralized version of k-LEACH, which in addition to the previous objectives, integrates the overall energy consumption of the network. This protocol, called k-LEACH-C2D, also aims to promote the scalability of the network. To reinforce the autonomy and networks, both routing protocols "multi-hop" probability, denoted CB-RSM and FRSM build elementary paths between the "cluster-heads" and elected the base station. The protocol, CB-RSM, forms a hierarchy of "cluster-heads" during the training phase clusters, with an emphasis on self-scheduling and self-organization between "cluster-heads" to make the networks more scalable. These protocols are based on the basic idea that the nodes have the highest residual energy and lower variance of energy consumption become "cluster-head". We see the central role of consumption of the node in our proposals. This point will be the last part of this thesis. We propose a methodology to characterize experimentally the consumption of a node. The objectives are to better understand the consumption for different sequences of the node status. In the end, we propose a global model of the consumption of the node.