Réseau hybride de l'Internet des objets pour un système de vidéosurveillance économe en énergie

Hybrid internet of things network for energy-efficient video surveillance system

• Auteur / Autrice : Eyassu Dilla Diratie
• Direction : Khaldoun Al Agha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, information et communications
• Date : Soutenance le 19/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire interdisciplinaire des sciences du numérique (Orsay, Essonne ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Nadjib Ait Saadi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Guérin-Lassous, Nathalie Mitton, Guy Pujolle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Guérin-Lassous, Nathalie Mitton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Routage (informatique)

Qualité de Service (télécommunications)

Vidéosurveillance

Internet des objets

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Réseau de capteurs multimédia sans fil (RCMSF)

Réseaux étendus à faible consommation (LPWAN)

Réseau Internet des objets

Vidéosurveillance

Qualité de service (QoS)

Routage économe en énergie

Efficacité énergétique

Wireless Multimedia Sensor Network (WMSNs)

Low Power Wide Area Networks (LPWAN)

Internet of Things Network (IoTN)

Video surveillance

Quality of Service (QoS)

Energy-Efficient Routing (EER)

Energy efficiency

Résumé

Les réseaux de capteurs visuels sans fil basés sur les réseaux maillés IEEE 802.11 sont des solutions efficaces et adaptées aux systèmes de vidéosurveillance pour surveiller les intrusions dans des zones sélectionnées. Les réseaux de capteurs visuels basés sur IEEE 802.11 offrent des transmissions vidéo à haut débit mais souffrent de problèmes d'inefficacité énergétique. De plus, la transmission vidéo dans les réseaux de capteurs visuels nécessite une qualité de service (QoS) stricte en termes de bande passante et de délai. En outre, il est difficile de réduire la consommation énergétique globale du réseau tout en garantissant une qualité de service garantie en termes de bande passante et de délai dans les réseaux de capteurs visuels sans fil à énergie limitée. La principale contribution de cette thèse est de fournir un réseau de vidéosurveillance économe en énergie sans compromettre l'exigence de qualité de service de la transmission vidéo. Premièrement, nous proposons une nouvelle architecture de réseau hybride IoT pour un système de vidéosurveillance qui détecte et suit un intrus dans la zone de surveillance. Le réseau IoT hybride intègre les réseaux de capteurs visuels multi-sauts basés sur IEEE 802.11 et le réseau LoRa pour fournir un système de vidéosurveillance autonome, économe en énergie et à haut débit. Tirant parti des caractéristiques du réseau LoRa, le réseau LoRa est utilisé comme un réseau toujours actif pour la détection et le suivi préliminaires des mouvements. De plus, le réseau LoRa décide également quels nœuds de capteurs visuels réveiller en fonction des informations de suivi. Le filtre de Kalman est étudié pour suivre la trajectoire de l'intrus à partir des mesures de bruit des capteurs de mouvement à faible puissance afin d'activer uniquement les nœuds de capteurs visuels le long de la trajectoire de l'intrus pour fournir une surveillance vidéo efficace. Nous avons montré par simulation que le filtre de Kalman estime et prédit la trajectoire de l'intrus avec une précision raisonnable. De plus, l'approche de réseau hybride IoT proposée réduit considérablement la consommation d'énergie par rapport à un réseau de capteurs visuels à un seul niveau de surveillance continue traditionnelle et toujours active. Ensuite, la contribution de cette thèse se concentre sur un mécanisme de routage sensible à l'énergie et QoS pour le réseau de capteurs visuels multi-sauts basé sur IEEE 802.11 du réseau hybride IoT. Nous proposons un algorithme de routage qui route un ensemble de flux vidéo vers la passerelle avec une QoS garantie en termes de bande passante et de délai tout en minimisant le nombre de nœuds capteurs visuels impliqués dans le routage. Cela maximise le nombre de nœuds pouvant être complètement désactivés pour optimiser la consommation énergétique globale du réseau sans compromettre les performances QoS. Le problème de routage proposé est formulé comme un programme linéaire entier (ILP) et résolu à l'aide d'un algorithme branch-and-bound. Grâce à la simulation informatique, les performances de l'approche proposée sont comparées aux algorithmes de routage de pointe existants dans la littérature. Les résultats montrent clairement que le mécanisme proposé permet d'économiser une quantité significative de la consommation d'énergie globale tout en garantissant la QoS en termes de bande passante et de délai.

Wireless visual sensor networks based on IEEE 802.11 mesh networks are effective and suitable solutions for video surveillance systems in monitoring intrusions in selected areas. The IEEE 802.11-based visual sensor networks offer high bit rate video transmissions but suffer from energy inefficiency issues. Moreover, the video transmission in the visual sensor networks requires strict quality of service (QoS) in terms of bandwidth and delay. Also, it is challenging to decrease the overall energy consumption of the network while assuring guaranteed QoS in terms of bandwidth and delay in energy-constrained wireless visual sensor networks. The main contribution of this dissertation is to provide an energy-efficient video surveillance network without compromising the QoS requirement of video transmission. First, we propose a new hybrid IoT network architecture for a video surveillance system that detects and tracks an intruder in the monitoring area. The hybrid IoT network integrates the IEEE 802.11-based multi-hop visual Sensor Networks and LoRa network to provide an autonomous, energy-efficient, high-bitrate video surveillance system. Leveraging the LoRa network characteristics, the LoRa network is utilized as an always-active network for preliminary motion detection and tracking. Moreover, the LoRa network also decides which visual sensor nodes to wake up depending on the tracking information. The Kalman filter is investigated to track the intruder's trajectory from noise measurements of low-power motion sensors to activate only the visual sensor nodes along the intruder's trajectory to provide effective video vigilance. We showed through simulation that Kalman filter estimates and predicts intruder trajectory with reasonable accuracy. Moreover, the proposed hybrid IoT network approach reduces energy consumption significantly compared with a traditional, always active continuous monitoring single-tier visual sensor network. Next, the contribution of this dissertation focuses on an energy-aware and QoS routing mechanism for the IEEE 802.11-based multi-hop visual sensor network of the hybrid IoT network. We propose a routing algorithm that routes a set of video streams to the gateway with guaranteed QoS in terms of bandwidth and delay while minimizing the number of visual sensor nodes that are involved in routing. This maximizes the number of nodes that can be turned off completely to optimize the overall energy consumption of the network without compromising QoS performance. The proposed routing problem is formulated as an Integer Linear Program (ILP) and solved using the branch-and-bound algorithm. Through computer simulation, the performance of the proposed approach is compared with the existing state-of-the-art routing algorithms from the literature. The results clearly show that the proposed mechanism saves a significant amount of the overall energy consumption while guaranteeing QoS in terms of bandwidth and delay.