Grands réseaux maillés basse énergie : protocoles minimalistes pour la synchronisation, la mesure de distance et le partitionnement

Scalable low power mesh networks : minimalistic protocols for synchronisation, distance measuring and partitionning

• Auteur / Autrice : Cédric Bérenger
• Direction : Peter Niebert, Kévin Perrot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 14/01/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mathématiques et Informatique de Marseille (Marseille ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’Informatique et Systèmes (LIS) (Marseille, Toulon)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Godard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Goursaud-Brugeaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Mitton, Thomas Noël

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférence (optique)

Générateurs photovoltaïques

Réseaux de capteurs (technologie)

Synchronisation

Mots clés libres

Iot

Réseaux maillés

Synchronisation

Mesure de distances

Réseaux de capteurs

Partitionnement

Grilles carrés

Internet des objets

Interférences

Ondes stationnaires

Panneaux solaires

Récolte d'énergie

Basse énergie

Wsn

Wireless sensor networks

Mesh

Synchronization

Partitionning

Square grids

Iot

Interferences

Standing waves

Solar panels

Energy harvesting

Low power

Résumé

Les microcontrôleurs sont des ordinateurs embarqués miniatures. Leur faible consommation ainsi que leur équipement permettent d’interagir avec l’environnement et de communiquer via les ondes. Ainsi, pourquoi ne pas former un grand maillage, pour administrer une maison, un complexe industriel, ou une ville entière ? Ce passage à l’échelle est difficile, et même si des solutions existent pour gérer des réseaux maillés, les impératifs de robustesse et d’efficacité poussent à faire des compromis. Dans cette thèse, nous cherchons une méthode minimaliste permettant de construire des réseaux maillés à grande échelle, autonomes en énergie et autogérés sans coordinateur. Nous exécutons des applications distribuées en rondes synchrones, à la manière d’un automate cellulaire. La mise en en pratique nécessite de répondre à la problématique de la synchronisation : la différence de vitesse entre les nœuds crée un déphasage progressif. Or, il est nécessaire de garder localement les nœuds en phase. Nous proposons un algorithme de synchronisation minimaliste pour établir des rondes d’exécution synchrones. La nature partagée et la sensibilité du médium sans-fil aux perturbations ne permet pas une utilisation directe de l'algorithme. Ainsi, nous proposons un protocole qui fournit le cadre frugal à la synchronisation sans-fils. Nous avons ensuite voulu simplifier le déploiement en géolocalisant les nœuds. Nous proposons une technique exploitant le délai de propagation et les infimes différences de fréquences entre les horloges pour mesurer précisément des distances. Enfin, nous avons considéré l'interface centralisé vers distribué pour la diffusion de données via de multiples d’entrées.

Microcontrollers are small computers that can make great things. With low power consumption, they are equipped to interact with the environment and give feedback using rf. With such abilities, we could build a mesh network, to monitor a house, an industrial facility, or a whole city. However, scalability of meshed networks is a complex topic, and numerous existing solutions for managing meshed network, submitted to robustness and performance constraints, make compromises. In this thesis, we contribute to an alternative solution following our own compromises. We propose a minimalistic method to build scalable meshed networks of energy-autonomous nodes, able to self-organize without central coordination. We run distributed applications using synchronous rounds. To put such a model in practice, we discuss the synchronization topic : two nodes never run at the same speed, so there is an increasing skew between clock values. But, we need to keep neighbors in phase with each others. We give a minimalistic algorithm to set synchronous execution rounds. The shared nature of the wireless medium and its sensitivity to disturbances make it unsuitable for our synchronization algorithm without tweaks. Thus, we present a protocol giving a necessary framework to run our synchronization algorithm on wireless nodes. Once we are able to run synchronous algorithms, we aim at simplifying the deployment of networks by adding geolocation with software only. We use tiny differences in clock speeds to measure precisely propagation delays of radio waves. Finally, we consider a way to interface centralized systems with our distributed networks allowing to broadcast data from several entry points.