Modélisation et évaluation des délais de bout-en-bout dans les réseaux de capteurs sans-fil

Modeling and evaluation of the end-to-end delay in wireless sensor networks

• Auteur / Autrice : François Despaux
• Direction : Ye-Qiong Song, Abdelkader Lahmadi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 15/09/2015
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Thierry Val
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Noël, Cong-Duc Pham

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protocoles de réseaux d'ordinateurs

Traitement du signal

Analyse temporelle

Systèmes de communication sans fil

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Réseaux de capteurs

Protocoles MAC

Délai de bout en bout

Wireless sensor networks

MAC protocols

End-To-End delay

Résumé

Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle approche pour modéliser et estimer les délais de bout-en-bout dans les réseaux de capteurs sans-fil (WSN). Notre approche combine les approches analytiques et expérimentales pour inférer un modèle Markovien modélisant le comportement d'un protocole de contrôle d'accès au médium (MAC) exécuté sur les nœuds d'un réseau de capteurs. À partir de ce modèle Markovien, le délai de bout en bout est ensuite obtenu par une approche analytique basée sur une analyse dans le domaine fréquentiel pour calculer la probabilité de distribution de délais pour un taux d'arrivée spécifique. Afin d’obtenir une estimation du délai de bout en bout, indépendamment du trafic en entrée, la technique de régression non-linéaire est utilisée sur un ensemble d’échantillons limités. Cette approche nous a permis de contourner deux problèmes: 1) la difficulté d'obtenir un modèle Markovien du comportement d’un protocole MAC en tenant compte de son implémentation réelle, 2) l'estimation du délai de bout-en-bout d’un WSN multi-sauts. L'approche a été validée sur un testbed réel (IOT-LAB) et pour plusieurs protocoles (X-MAC, ContikiMAC, IEEE 802.15.4) ainsi que pour un protocole de routage (RPL).

In this thesis, we propose an approach that combines both measurements and analytical approaches for infering a Markov chain model from the MAC protocol execution traces in order to be able to estimate the end to end delay in multi-hop transmission scenarios. This approach allows capturing the main features of WSN. Hence, a suitable Markov chain for modelling the WSN is infered. By means of an approach based on frequency domain analysis, end to end delay distribution for multi-hop scenarios is found. This is an important contribution of our approach with regard to existing analytical approaches where the extension of these models for considering multi-hop scenarios is not possible due to the fact that the arrival distribution to intermediate nodes is not known. Since local delay distribution for each node is obtained by analysing the MAC protocol execution traces for a given traffic scenario, the obtained model (and therefore, the whole end to end delay distribution) is traffic-dependant. In order to overcome this problem, we have proposed an approach based on non-linear regression techniques for generalising our approach in terms of the traffic rate. Results were validated for different MAC protocols (X-MAC, ContikiMAC, IEEE 802.15.4) as well as a well-known routing protocol (RPL) over real test-beds (IOT-LAB).