Ordonnancement et routage pour l'augmentation de la durée de vie dans les réseaux de capteurs sans fil

Scheduling and routing for increasing the network lifetime in wireless sensor networks

• Auteur / Autrice : Lilia Lassouaoui
• Direction : Eric Gressier-Soudan, Stéphane Rovedakis, Anne Wei-Liu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'information et de la communication. Informatique
• Date : Soutenance le 06/07/2018
• Etablissement(s) : Paris, CNAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'études et de recherche en informatique et communications (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Maria Potop-Butucaru
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Quadri, Pascale Minet, Sophie Chabridon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Val, Julien Bourgeois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Qualité de Service (télécommunications)

Conservation de l'énergie

Routage (informatique)

Ordonnancement (informatique)

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Réseaux de capteurs sans fil

Accès au médium

Routage

Economie d’énergie

Coloration d'arêtes à distance-2

Métriques RPL

Wireless sensor networks

Medium Access Control

Routing

Energy saving

Distance-2 edge coloring

RPL metrics

Résumé

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) sont très largement utilisés dans divers domaines d'applications civiles et militaires, comme la surveillance de champs de bataille, la détection de phénomène environnementaux, ou encore les bâtiments intelligents. Cependant, les réseaux de capteurs sans fil sont caractérisés par de fortes limitations au niveau de l'énergie disponible et des communications radio. Les travaux réalisés dans cette thèse visent à proposer des solutions garantissant une certaine qualité de service dans le contexte des réseaux de capteurs sans fil. La première partie concerne la couche liaison de données avec l'objectif d'augmenter la durée de vie du réseau. L'accès au médium sans fil est analysé et modélisé sous la forme d'un problème d'ordonnancement des liens de communication, tenant compte des collisions. Nous étudions alors la complexité de ce problème. Une approche distribuée et tolérante aux défaillances avec garantie de performance est proposée (SS-DD2EC) pour résoudre ce problème. La seconde partie de la thèse concerne le routage des messages à l'aide du protocle IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Network (RPL). Tout d'abord, un comparatif entre les différentes métriques de routage existantes pour l'optimisation de l'énergie consommée a été mené. En plus de la durée de vie, les critères de fiabilité et de latence de bout-en-bout sont considérés pour évaluer ces métriques. Enfin, deux nouvelles métriques (R_MinMax et R_Delai) ont été proposées pour RPL permettant d'atteindre des gains significatifs par rapport à l'état de l'art. La première ne tient compte que des critères de consommation d'énergie et de fiabilité, alors que la seconde intègre en plus la latence de bout-en-bout.

Wireless sensor networks (RCSF) is a technology that has a wide range of civil or military applications, including battlefield monitoring, environmental monitoring or smart city. However, WSN are characterized by high limitations in terms of energy (battery-operated nodes) and wireless links (low power and lossy links). The work done in this PhD thesis aims to provide solutions that guarantee a certain quality of service in the context of wireless sensor networks. The first part of this work concerns the medium access control layer with the aim of increasing the lifetime of the network. The access to the wireless medium is analyzed and modeled as a link scheduling problem, taking into account collisions. First, a study of the complexity of this problem is carried out, then a distributed and fault-tolerant approach with guaranteed performance is proposed (SS-DD2EC) to solve this problem. The second part is about message routing with the IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Network (RPL). First of all, a comparison between the various existing routing metrics for the optimization of the energy consumed has been carried out. In addition of lifetime, the reliability and end-to-end latency criteria are considered for evaluating these metrics. Then, two new RPL metrics (R_MinMax and R_Delai) were proposed, achieving significant gains over the state of the art. The first one only considers the energy consumption and reliability, while the second one takes also into account the end-to-end latency.