Méthodes de localisation de capteurs dans le contexte de l'Internet des Objets

Sensor localization methods in the context of the Internet of Things

• Auteur / Autrice : Wafa Njima
• Direction : Michel Terré, Ridha Bouallegue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie informatique, automatique et traitement du signal. Radiocommunications
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Paris, CNAM en cotutelle avec École supérieure des communications de Tunis (Tunisie)
• 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) - Innovation of communicating and cooperative mobile (Tunis)
• Jury : Président / Présidente : Geneviève Baudoin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Iness Ahriz, Maryline Hélard, Jamel Belhadj, Rafik Zayani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Baudoin, Tahar Ezzeddine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage profond

Optimisation mathématique

RSSI (télécommunications)

Systèmes de positionnement en intérieur

Internet des objets

Mots clés libres

Localisation en intérieur

Méthode de fingerprinting

Trilatération

Réseaux de neurones convolutifs (CNN)

Complétion de matrice

Internet des Objets

La puissance du signal reçu

Indoor localization

Fingerprinting method

Trilateration

Convolutional neural networks (CNN)

Matrix completion

Internet of Things (IoT)

RSSI

Résumé

Grace à l'émergence croissante de l'Internet des Objets et à l'importance de l'information de position dans ce contexte, lalocalisation attire de plus en plus d'attention dans la communauté des chercheurs. La localisation en extérieur est assuréepar le GPS qui n'est pas adapté aux environnements intérieurs. Plusieurs techniques de localisation en intérieur existent,mais il n'existe pas encore un standard. L'objectif de cette thèse est d'améliorer les techniques de localisation existantestout en maintenant un niveau de localisation satisfaisant avec une faible complexité de calcul. Afin de surmonter lesinconvénients des techniques de localisation existantes, nous avons proposé des approches alternatives. Dans un contexte de communication distribuée, la trilatération a été combinée avec un processus d'optimisation qui vise à compléter la matrice de distances inter nœuds à partir des données partiellement connues en se basant sur des algorithmes d’optimisation avancés. Ainsi une solution de localisation pour une architecture distribuée a été proposée. Pour une architecture centralisée utilisant la technique du fingerprinting contenant les puissances reçues, plusieurs stratégies ont été étudiées. Une étude comparative entre les différentes métriques d'évaluation de similarité a été développée. Cette étude a été suivie par le développement d'un modèle linéaire entre le fingerprint de test et les fingerprints d'une base de données générant une relation mathématique qui relie les puissances du signal reçues par un objet à ses coordonnées. Cela aide à diminuer la complexité de calcul en ligne et ainsi mieux s'adapter à un système temps réel. Enfin, la relation entre les puissances reçues et les coordonnées a été confiée à un réseau de neurones convolutif (CNN) qui traite le problème de localisation comme un problème de classification d'images radio. Les performances de toutes les approches proposées ont été évaluées et discutées. Ces résultats montrent bien l'amélioration des performances des techniques basiques en termes de précision de localisation et de complexité.

With the growing emergence of the Internet of Things and the importance of position information in this context, localization is attracting more and more attention in the researchers' community. The outdoor location is provided by GPS which is not suitable for indoors environments. Several indoor localization techniques exist, but there is not yet a standard.Existing methods are mainly based on trilateration or fingerprinting. Trilateration is a geometric method that exploits thedistances between an object and reference points to locate it. This method only works when we have at least 3 access points detected and is strongly affected by multi paths. In order to overcome these disadvantages, the fingerprinting methodcompares the fingerprint associated to the object to be located to a fingerprints' database constructed on offline. The estimated position is a combination of the selected training positions. This method is of great interest. However, it requiressignificant computing and storage capabilities. The aim of this thesis is to improve the existing localization techniqueswhile maintaining a satisfying localization accuracy with low computational complexity. In order to overcome the disadvantages of these two classes of localization techniques, we propose alternative approaches. For trilateration, it hasbeen combined with an optimization process that aims at completing the inter-node distance matrix from partially knowndata. Advanced optimization algorithms have been used in developing the mathematical equation corresponding to eachone. Using this method, we came up with a localization solution for a distributed IoT architecture. As for fingerprinting, we have exploited it to develop localization systems for a centralized IoT architecture. A comparative study between different metrics of similarity evaluation is conducted. This study was followed by the development of a linear model generating a mathematical relation that links the powers of the signal received by an object to its coordinates. This helps to reduce the online complexity of and adapts our system to real time. This is also ensured by the development of a CNN model which deal with the localization problem as radio images classification problem. The performances of all proposed approaches are evaluated and discussed. These results show the improvement of the performances of basic techniques in terms of localization accuracy and complexity.