Gestion d'énergie et conception de protocoles pour les réseaux IoT hétérogènes utilisant les wake-up radios

Energy management and protocol design for heterogeneous IoT networks leveraging wake-up radio

• Auteur / Autrice : Nour El Hoda Djidi
• Direction : Olivier Berder
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Télécommunications
• Date : Soutenance le 26/11/2021
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : GRANIT
• Jury : Président / Présidente : Thomas Noël
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Gautier, Antoine Courtay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Mitton, Alain Pegatoquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Réseaux de capteurs sans fil

Wake-Up radio

IoT

Codage de canal

Protocoles MAC

Wireless sensor network

Wake-Up Radio

IoT

Channel coding

MAC protocols

Résumé

Les Wake-up Radios (WuRs) sont une nouvelle solution prometteuse permettant des communications asynchrones à très faible puissance de consommation et très faible latence. Cependant, l’utilisation des WuRs repose sur un compromis vu que la réduction de la consommation d’énergie engendre une réduction de la sensibilité et donc une courte portée de communication. Dans cette, thèse nous proposons d’améliorer les performances de la WuR en utilisant un codage de canal adéquat. Ce codage de canal est appelé ''Minimum Energy Coding'' et permet d’augmenter la sensibilité de la WuR. Nous proposons aussi une version améliorée de minimum energy coding pour une réduction supplémentaire de l’énergie consommée et de la latence. Cependant, l’amélioration des performances du nœud seul n’est pas toujours suffisante. Comme le nœud est déployé dans un réseau pour former un réseau de capteurs sans fil, il est important de prendre en considération le protocole MAC afin d’obtenir des gains supplémentaires en portée et en consommation d’énergie. Nous proposons dans cette thèse un nouveau protocole MAC permettant une communication longue portée tout en étant efficace en énergie en combinant WuR et LoRa. Une autre technique permettant d’augmenter la portée a été proposée en intégrant les WuRs dans un réseau multi-sauts. Enfin, la résilience des nœuds est limitée lorsque les nœuds sont alimentés par des batteries. La récupération d’énergie, qui utilise l’énergie présente dans l’environnement, est une alternative pour assurer un fonctionnement durable et augmenter la qualité de service du réseau. Nous proposons dans cette thèse un gestionnaire d'énergie adapté à l’architecture de réseau hétérogène combinant WuR et LoRa.

The Wake-up Radios (WuRs) are a new promising solution allowing asynchronous communications with ultra low power consumption and low latency. WuR is however a matter of tradeoffs since to reduce as much energy consumption comes at the cost of low sensitivity and thus short range communications. In this thesis, we propose to enhance the performances of the WuR by using an adequate channel coding. This channel coding is called minimum energy coding and allows to increase the sensitivity. We also propose an improved version of minimum energy coding for additional reduction in both energy consumption and latency. Improving the performance of only the device is not always sufficient. As several devices are deployed in a network to form a wireless sensor network, it is important to pay attention to the design of the MAC protocol in order to obtain additional gains in range and energy consumption. We propose in this thesis a novel MAC protocol that allows long range communications while being energy efficient by combining WuR and LoRa. Another technique allowing to increase the range has been proposed by integrating the WuRs in a multi-hop network. Finally, devices resilience is limited when the devices are battery powered. Energy harvesting, that converts energy from environmental sources, is a viable alternative to ensure sustainable operation and improve the quality of service of the network. We propose in this thesis an energy manager adapted to the heterogeneous architecture that combines WuR and LoRa.