Outil de dimensionnement trans-niveaux de réseaux de capteurs sans fil contraints en énergie

Multidimensional cross-level tool for Wireless Sensor Networks constrained by energy

• Auteur / Autrice : Michel Bakni
• Direction : Octavian Curea, Guillaume Terrasson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 25/03/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecole supérieure des technologies industrielles avancées (Bidart, Pyrénées-Atlantiques)
• Jury : Président / Présidente : Abdallah Makhoul
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Octavian Curea, Guillaume Terrasson, Abdallah Makhoul, Cécile Belleudy, Najiba Mrabet Bellaj, Philippe Roose
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdallah Makhoul, Cécile Belleudy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie

Simulation, Méthodes de

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Réseaux de capteurs sans fil

Outils de simulation

Approche de modélisation

Trans-niveaux

Orientée énergie

Wireless sensor networks

Simulation tools

Modelling approach

Cross-level

Energy-awareness

Résumé

Un Réseau de Capteurs Sans Fil (RCSF) est composé d’un ensemble de noeuds alimentés par batterie, associant des capteurs à une unité de traitement et à un émetteur-récepteur sans fil. De nos jours, les RCSF font l’objet de nombreux travaux de recherche et développement. En effet, ces réseaux constituent une solution intéressante afin d’apporter une réponse à différents enjeux sociaux, sociétaux et économiques tels que le déploiement des Smart Grids ou la supervision à distance de la santé de personnes dans un contexte de vieillissement de la population. Ces RCSF ont la capacité d'être déployé dans des environnements contraints, tels que les forêts, les volcans et les bâtiments, pour atteindre divers objectifs : la localisation d’objets et d’individus mais aussi la surveillance de phénomènes physiques, comme les signaux physiologiques de patients ou la température ambiante d’un bâtiment.Cependant, le déploiement de ces RCSF est souvent rendu critique en raison des contraintes imposées par l'environnement d’application, par exemple, les températures pouvant être subies lors de la supervision d’un volcan, ou la difficulté d’accès aux noeuds lorsque ceux-ci sont utilisés pour la surveillance de l'état structurel d'une autoroute ou d'un bâtiment. Par conséquent, les chercheurs et développeurs de ce type de réseau ont besoin d'outils pour tester et évaluer, dans le cadre du processus de conception d'un RCSF, les performances des noeuds et du réseau avant de le déployer dans un environnement réel.Dans ce contexte, les outils de simulation peuvent apporter une solution permettant un gain de temps, une limitation des coûts et des efforts avant le déploiement d’un tel réseau dans son environnement d’utilisation. Ces outils sont donc aujourd’hui largement répandus et utilisés pour évaluer les performances d’un RCSF mais aussi les propositions issues de travaux de recherche relatifs à ce type de réseau. Néanmoins, la conception d'un RCSF, dédié à une application, doit tenir compte de sa structure multi-niveau : topologie, noeuds et circuits. Ainsi, pour aborder les principaux défis liés au RCSF, tels que la problématique d’autonomie énergétique des noeuds, la modélisation de ces réseaux est considérée comme une tâche complexe car l'approche de modélisation utilisée doit considérer sa structure multi-niveau afin de fournir des résultats exploitables provenant simultanément de niveaux d’abstraction différents.Dans cette thèse, nous définissons, proposons et implémentons un modèle trans-niveaux orienté énergie dédié au RCSF permettant de considérer simultanément différents niveaux d'abstraction : topologie, noeuds et circuits. Ce modèle est capable de tracer la consommation énergétique à partir de différents points de vue : l'activité spécifique d'un circuit, les activités d'un circuit ou d'un noeud, ainsi que son impact sur la durée de vie du RCSF. Notre modèle est ensuite implémenté dans un simulateur de RCSF dédié afin, en considérant différents scénarios, de comparer les résultats obtenus avec un simulateur existant et des noeuds réels dans le but de valider la pertinence de notre approche.

Wireless Sensor Network (WSN) is a set of battery-powered nodes that include sensors coupled with processing units and wireless transceivers. Nowadays, WSN is a major topic in the research and development domain. Indeed, it constitutes an interesting solution to give an answer to different situations related to social, societal and economic issues such as the need to manage the Smart Grids or to supervise patient’s health in the context of the aging population. This kind of network has the capacity to be simply deployed in harsh environments, such as forests, volcanoes and buildings, to achieve various goals, like tracking targets, animals or human beings for example, or monitoring physical phenomena, such as patient physiological signals or ambient temperature in a building.However, the deployment of WSNs can be critical because of the difficult conditions imposed by the application environment, for example, the high temperatures in the case of volcano activity supervision, or the impossibility of reaching the nodes after deployment, when the WSN must be used to structural health monitoring of a highway or a building. Therefore, researchers and developers need tools to test and evaluate, in the design process of a WSN, node and network performances before deploying it in real surroundings.In this context, simulation can provide a solution that can save time, cost, and effort before deploying a WSN application in its real environment. This explains that simulation tools are widely used in WSN designing stages and for research works evaluation related to this kind of network. Nevertheless, designing a WSN, dedicated to a specific application, needs to address its multilevel structure: topology, nodes and circuits. Thus, to handle the main challenges of WSN design such as energy issues, WSN modelling is considered a complex task because the adopted modelling approach has to take into account the WSN multilevel structure in order to provide exploitable results from different points of view at the same time.In this thesis, we define, propose and implement a cross-level energy-aware model for WSN that allows considering different levels of abstraction at the same time: circuits, nodes and topology. This energy-oriented model is able to trace the energy consumption from multiple points of view: a specific circuit's activity, circuit or node activities, as well as the impact on the WSN lifetime. The proposed model is implemented in a dedicated WSN simulator, which is used, defining different scenarios, to compare obtained results with a well-known simulator and physical WSN nodes with the aim to validate the relevance of our approach.