Protocoles de support IPv6 pour réseaux de capteurs sur courant porteur en ligne

IPv6 protocols for powerline communication sensor network

• Auteur / Autrice : Cédric Chauvenet
• Direction : Bernard Tourancheau, Denis Genon-Catalot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 10/10/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de Grenoble (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Valois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Genon-Catalot, Pierre-Emmanuel Goudet, Michel Gaeta, Jean Philippe Vasseur
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andre-Luc Beylot, Kun-Mean Hou

Mots clés

Mots clés libres

6LoWPAN

Courant Porteur en Ligne

802.15.4

Routage

Hétérogénéité

CPL

6LoWPAN

Powerline Communication

802.15.4

Routing

Heterogeneous

PLC

Résumé

Cette thèse démontre la pertinence de l’utilisation du Courant Porteur en Ligne (CPL) pour des applications de réseaux de capteurs. Nous nous focalisons sur la technologie basse consomma- tion et bas débit ''WPC'' développée par la société Watteco et nous montrons que son utilisation est justifiée pour des applications de réseaux de capteurs. Nous situons la solution WPC dans le paysage du CPL et déterminons les protocoles compatibles. Nous décrivons ensuite l’implé- mentation du module WPC et du média CPL dans le simulateur de réseau COOJA afin de proposer une solution réseau reposant sur l’adaptation du standard 802.15.4 sur la technologie WPC. Nous démontrons ensuite l’intérêt de la convergence des médias au niveau réseau par l’utilisation du standard IPv6, que nous adaptons sur notre solution CPL grâce au protocole 6LoWPAN. Nous justifions l’utilisation des protocoles standards de l’IETF sur notre solution CPL et nous montrons qu’une solution de routage sur CPL doit être développée. Nous montrons par des expérimentations que notre solution CPL correspond aux critères des réseaux basse puis- sance et supportant les pertes de transmissions (LLNs) pour lesquels le protocole standard RPL a été conçu. Nous justifions l’utilisation de ce protocole sur CPL, et validons son implémenta- tion dans le cadre de 2 expérimentations. Formées respectivement de 7 puis 26 noeuds CPL, les résultats montrent que le routage créé par RPL permet de couvrir un étage d’un bâtiment avec une topologie de type arbre et une profondeur de 3 sauts maximum. Nous montrons également que la technologie WPC permet une connectivité importante entre les noeuds du réseau et que la qualité des liens est fortement dynamique, mais que le routage permet de s’adapter à ces variations. Nous pointons également les limites de notre solution CPL qui présente des délais importants et des débits faibles, générant de contraintes fortes sur les applications. Notre solu- tion de réseau de capteur sur CPL repose sur le standard IP, permettant des échanges de paquets avec d’autres technologies. Nous étudions ainsi la possibilité de créer des réseaux hétérogènes mélangeant la technologie WPC et radio 802.15.4. Nous montrons que notre pile protocolaire permet la création de ce type de réseau, afin de profiter du meilleur des 2 mondes. Nous décri- vons ainsi l’architecture d’un noeud hybride Radio Fréquence (RF) / CPL permettant de faire transiter les paquets entre ces 2 médias. Nous montrons ensuite que l’utilisation combinée de ces 2 médias augmente le nombre de chemins disponibles et permet de faciliter le routage, en diminuant le nombre de sauts et le risque que certains noeuds du réseau soient inaccessibles. Nous démontrons ensuite que l’injection de noeuds CPL et RF/CPL dans un réseau formé de noeuds RF sur batterie permet de les délester de leur charge de routage afin de prolonger leur durée de vie. Nous présentons ensuite une optimisation énergétique matérielle et logicielle d’un noeud radio. Nous déterminons les paramètres des protocoles et les optimisations logicielles per- mettant de tirer au mieux partie de cette architecture et nous réalisons l’étude énergétique de la sonde embarquée sur le noeud. Au final, notre architecture présente une consommation totale inférieure à 17 μW. Nous indiquons dans les annexes nos implications dans les organismes de standardisation qui ont permis de valider l’implémentation.

This thesis demonstrate the relevance of Powerline Communication (PLC) usage for sensor networks applications. We focus in particular on the low power and low data rate PLC technol- ogy ''Watt Pulse Communication'' (WPC) developed by the Watteco company and justify its usage for sensor network applications. We situate the WPC technology in the PLC landscape and define compatible protocols. We then describe the WPC module and the PLC media im- plementation in the COOJA network simulator. This allows us to propose a network solution over this technology, leveraging on the adaptation of the 802.15.4 standard over the WPC tech- nology. We then demonstrate the benefit of media convergence at the network layer level, with the use of the IPv6 standard that we adapted over our PLC solution thanks to the 6LoWPAN protocol. We justify the usage of standards protocols over our PLC solution and show that a routing solutions must be developed over WPC. We show through experiments that our PLC solution match low power and lossy network (LLNs) criterions for which the RPL standard pro- tocol has been designed. We justify the usage of this routing protocol over our PLC solution, and validate its implementation through 2 experiments conducted in tertiary types buildings. Respectively composed of 7 and 26 PLC nodes, results show that the routing topology created by RPL enable the coverage an entire floor of a tertiary building with a tree based topology and 3 hops maximum path length. We also show that the WPC technology exhibits a high connectivity between nodes and that the link quality is highly dynamic. Though, we observed that the routing topology was able to handle these variations. We point out the limitations of our PLC solution, which presents high delays and low throughput, creating high constraints on applications. Our sensor network solution over PLC relies on the IP standard, enabling packets exchanges with other technologies using the same protocol. In particular, we study the possi- bility to create heterogeneous networks mixing the WPC technology with 802.15.4 radio. We show that our protocol stack used over PLC enable to create this type of network, in order to benefit from the best of these 2 worlds. We purpose an architecture of a hybrid Radio / PLC node enabling to transfer packets between these 2 media. Then, we show that the combined usage of these 2 media increase the number of available paths and facilitate the routing, while diminishing the number of hops and possible unreachability of nodes. We then demonstrate that the addition of PLC and Radio/PLC nodes in a RF based battery powered sensor network enable to relieve their routing charge in order to expand their lifetime. We then continue the energy study with a power consumption optimization of a wireless sensor network platform from the hardware and software standpoint. We first determine the operating frequency, the wake up frequency and the mode of operation of the micro controller offering the lowest power consump- tion. We then conduct an energy study of 4 different radio transceivers using the 2.4 GHz and 868 MHz frequency band, in order to determine the most efficient architecture. We determine the protocols parameters and the software optimization to reach the lower power consumption of this architecture. Finally, we realize the energy study of several probes than can be embedded on the node, according to their nature and functioning mode. Our final architecture exhibits a total power consumption that is lower than 17 μW, with an applicative reporting each 10 minutes and the maintenance of the reachability with the network. We also mention in annex parts our implication in standards developments organizations such as the IETF a the IPSO alliance, that allow us to validate the implementation of our solution through interoperability events.