Nouveaux protocoles réseaux pour des réseaux IoT hétérogènes de Wake-up radio

Polymorphic network protocol suite in heterogeneous wake-up IoT networks

• Auteur / Autrice : Sebastian Lucas Sampayo
• Direction : Thomas Noël, Julien Montavont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 17/03/2021
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Valois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Berder, Antoine Gallais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux de capteurs (technologie)

Protocoles de réseaux d'ordinateurs

Réseaux d'ordinateurs

Internet des objets

Mots clés libres

Wake-up radios

IoT

Réseau de capteurs sans fil

Protocoles de routage

Protocoles MAC

Wake-up radios

IoT

Wireless sensor networks

Routing protocols

MAC protocols

Résumé

L'Internet des objets et les réseaux de capteurs sans fil offrent de nouvelles façons de connecter des entités physiques du monde réel au monde cybernétique. Ceci est réalisé grâce à des systèmes embarqués distribués, alimentés par des batteries. Le principal défi dans ces applications est de prolonger autant que possible la durée de vie de la batterie, ce qui se traduit par une minimisation de la consommation d'énergie, tout en conservant des performances réseau de bonne qualité. Dans ces systèmes, le module de communication sans fil est généralement celui qui consomme le plus d'énergie. En conséquence, les solutions traditionnelles à ce défi ont utilisé une approche de « duty-cycle » au niveau de la couche de contrôle d'accès au support (MAC) de la pile de communication en sacrifiant la latence au profit de l'efficacité énergétique. Les protocoles asynchrones permettent des communications non programmées, et leur mise en œuvre est facile à déployer et à exploiter. Toutefois, dans plusieurs cas, les protocoles synchrones offrent de meilleures performances. La « wake-up radio » est une nouvelle technologie pour les communications sans fil qui permet de conserver des communications asynchrones tout en favorisant la latence et la consommation énergétique. Ce module est attaché à un nœud régulier comme récepteur secondaire qui écoute le canal en permanence pendant que la radio principale reste en veille. Malheureusement, la sensibilité de la « wake-up radio » est inférieure à celle de la radio principale, ce qui crée un problème de discordance de portée. L'objectif de ce travail est de proposer de nouveaux protocoles de communication tirant parti de cette nouvelle technologie, afin de conserver la simplicité d’une approche asynchrone tant en proposant de performances similaires aux approches synchrones.

The Internet of Things and the Wireless Sensor Networks are providing new ways to connect physical entities from the environment to the cybernetic world. This is made possible thanks to distributed embedded systems powered by batteries. The main challenge in these applications is to extend the battery lifetime as much as possible, which translates into minimizing the power consumption while keeping good quality network performance. In such systems, the wireless communication module is typically the most power-consuming one. As a consequence, traditional solutions to this challenge have used a duty-cycle approach at the medium access control layer (MAC) of the communication stack trading off latency for energy efficiency. Asynchronous protocols allow unscheduled communications, and their implementation is easy to deploy and operate. However, in many cases, synchronous protocols provide better performance. Wake-up radios are a new technology for wireless communications that allows holding asynchronous communications while favoring latency and energy consumption. This module is attached to a regular node as a secondary receiver that listens to the channel continuously while the main radio stays sleeping. Unfortunately, the sensitivity of the wake-up receiver is lower than that of the main radio, creating a range mismatch problem. The goal of this work is to propose new communication protocols taking advantage of this technology, aiming at keeping the low complexity of an asynchronous approach while allowing similar performance to that of a synchronous approach.