Contribution aux architectures protocolaires pour un système de localisation dans un réseau de capteurs sans fil basé sur une couche physique 802.15.4a UWB

Contribution to protocol architectures for a location system in a wireless sensor network based on a 802.15.4a UWB physical layer

• Auteur / Autrice : Nezo Ibrahim Fofana
• Direction : Thierry Val, Adrien Van den Bossche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie informatique, automatique et traitement du signal informatique
• Date : Soutenance le 06/07/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Fraisse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Val, Adrien Van den Bossche, Gérard Chalhoub, Adil Sayouti, Rejane Dalce
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gérard Chalhoub, Adil Sayouti

Mots clés

Mots clés contrôlés

IEEE 802.15.4 (norme)

Réseaux locaux sans fil

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Réseaux de capteurs sans fil

Localisation

Mesure de distance

Temps de vol

Hyper étalement de spectre

Evaluation de performances

Protocoles

Prototypage

Wireless Sensor Networks

Localization

Ranging

Time-of-Flight

Ultra-Wide Band

Performance Evaluation

Protocols

Prototyping

Résumé

Les réseaux de capteurs sans fil ont connu depuis quelques années un intérêt majeur dans tous les domaines d’activités. Une des informations attendue est la localisation des nœuds capteurs ; pourtant, compte-tenu des contraintes imposées aux capteurs en termes d’encombrement et d’énergie, il est peu envisageable d’équiper le capteur d’équipements spécifiques dédié à la localisation comme un récepteur GPS. Dès lors, localiser le capteur en exploitant le signal de communication est une option intéressante. A l’inverse des techniques Range-Free exploitant des hypothèses de connectivité du réseau, les techniques généralement connues pour atteindre une bonne précision de localisation par la radio sont de type Range-Based, et se basent, dans notre cas, sur la mesure du temps de vol du signal radio UWB. Nos contributions portent alors sur le choix d’une couche physique performante, sur la mise en place d’outils favorisant une bonne précision temporelle dans les échanges radio, et l’élaboration d’un protocole original d’évaluation de la distance. Les travaux présentés dans ce manuscrit visent donc à aborder la problématique générale de la localisation d’intérieur dans les réseaux de capteurs sans fil, et en particulier la fonctionnalité de ranging qui est le mécanisme d’évaluation de la distance entre les nœuds. Dans un premier temps, nous implémentons puis évaluons les protocoles de référence rencontrés dans la littérature. Nous identifions et corrigeons par la suite, les erreurs susceptibles de biaiser la métrique du temps de vol. Nous proposons alors le protocole 2M-TWR (2 Messages – Two Way Ranging) comme une amélioration du protocole de référence TWR. Enfin, nous proposons et implémentons le protocole BB-TWR (Beacon Based –TWR), qui permet d’effectuer le ranging, de manière séquentielle et non séquentielle, en incluant les informations temporelles nécessaires dans tout trafic natif diffusé existant. Les preuves de concept ont été prototypées et évaluées sur un banc de test réel.

In recent years, Wireless Sensor Networks has gained an important interest in all fields of activity. One of the expected information is the sensor nodes localization; However, due to the sensors constraints in terms of memory and energy, it is not possible to equip the sensor with specific equipment dedicated to the localization as the GPS receiver. Thus, locating the sensor by using the communication signal is an interesting option. In contrast to Range-Free techniques which use assumptions of network connectivity, the Range-Based techniques are known to reach good localization accuracy and, in our case, they are based on the measurement of the time of flight of the radio signal UWB. Our contributions focus on the choice of an efficient physical layer, on the implementation of tools that promote a good temporal accuracy in radio exchanges, and the development of an original distance evaluation protocol. Research works presented in this manuscript aim to address the global general problem of indoor localization in wireless sensor networks, and particularly the ranging functionality which is the distance evaluation mechanism between nodes. At first we implemented and evaluated the well-known protocols encountered in the literature. Then, we identify and correct errors that may bias the Time of flight metric. We propose the 2M-TWR protocol (2 Messages - Two Way Ranging) as an improvement to the TWR reference protocol. Finally, we propose and implement the BB-TWR (Beacon Based-TWR) protocol, which is able to perform ranging, sequentially and non-sequentially, by including the necessary time information in any existing broadcast native traffic. The proofs of concept were prototyped and evaluated on a real testbed.