Réseaux de capteurs sans fil étendu robuste exploitant des liens atypiques

Robust wireless sensor network using atypical radio links

• Auteur / Autrice : Honoré Bizagwira
• Direction : Michel Misson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 12/12/2016
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique, de Modélisation et d'Optimisation des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Norre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Misson, Nadir Hakem, Joël Toussaint
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Spies, Thierry Val

Mots clés

Mots clés contrôlés

Environnement -- Surveillance

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Réseaux de capteurs sans fils

Protocole MAC

Protocole de routage

Topologie dynamique

Surveillance environnementale

Communication à la surface de l’eau

Wireless sensor networks

MAC protocol

Routing protocol

Dynamic topology

Environmental monitoring

Overwater communication

Résumé

Ce mémoire de thèse se place dans le contexte des applications de surveillance de l’environnement nécessitant des mesures régulières de caractéristiques biologiques ou géo-physiques. Il s’agit par exemple de mesurer la propagation de polluants dans les cours d’eau, de surveiller le développement de bactérie dans des eaux de baignade. Les réseaux de capteurs sans fils (RCsF) apparaissent comme des solutions économiques et fiables pour permettre l’automatisation de la collecte de telles données. Le bon fonctionnement de ces réseaux dépend de la qualité des transmissions radio, ce qui est particulièrement vrai dans des milieux où les conditions sont peu favorables à la propagation des ondes radio et où les liens peuvent donc se révéler intermittents. L’objectif de ce travail est de proposer une solution protocolaire efficace dans de telles conditions, dans le cas particulier d’un réseau de capteur déployé à la surface de l’eau. Le mémoire débute par la description d’une méthodologie, des mécanismes et d’une plate-forme destinée à explorer la qualité d’un lien radio situé à la surface de l’eau. Nous présentons différentes mesures qui ont été effectuées. Les solutions protocolaires que nous proposons prennent en compte le caractère évolutif de la topologie due à l’instabilité des liens radio afin d’améliorer l’efficacité de la collecte et de réduire la consommation énergétique des noeuds. Notre approche est basée sur la reconstruction périodique de la topologie, la communication entre les noeuds par rendez-vous définis par des fenêtres de transmissions, l’utilisation du multi-canal pour drainer les données et l’adaptation de la taille des fenêtres de transmission en fonction du trafic local. L’ensemble de ces propositions est validé par prototypage et par simulation sur NS-3. Les résultats montrent que notre solution est capable de collecter les données dans une topologie dynamique tout en réduisant à la fois le délai de collecte et la consommation énergétique.

This thesis takes place in the context of environmental monitoring applications requiring regular measurements of biological or geophysical characteristics. These applications include for instance the measuring of the spread of pollutants in rivers, monitoring of the development of bacteria in bathing waters, etc. Wireless Sensor Networks (WSNs) provide cost-effective and reliable solutions to allow the automation of such data gathering. The good functioning of these networks depends on the quality of the radio transmissions, which is particularly true in environments where the conditions are not suitable for the propagation of radio waves and where the links may therefore be intermittent. The objective of this work is to propose an effective protocol solution under such conditions, in the particular case of a sensor network deployed on the water surface. The thesis begins with a description of the methodology, mechanisms and a platform for exploring the quality of a radio link displayed at the water surface. We present different measures that have been carried out. The protocol solutions we propose take into account the evolutionary nature of the topology due to the instability of the radio links in order to improve the efficiency of the data gathering and to reduce the energy consumption of the nodes. Our approach is based on the periodic reconstruction of the topology, the communication between nodes by appointments defined by transmission windows, the use of the multi-channel to drain the data and the adaptation of the transmission window size as a function of local traffic. All these propositions are validated by prototyping and simulation using NS-3. The results show that our solution is capable of collecting data in a dynamic topology while reducing both gathering time and energy consumption.