Urban wireless sensor networks: from applications to protocols
Réseaux urbains de capteurs sans-fil : Applications, caractérisation et protocoles
Résumé
Wireless Sensors are small electronic devices made for measuring physical properties of their environment and communicating them wirelessly to an information system. In this thesis, we study existing network architectures (long-range vs multihop) and protocols (MAC and routing protocols) to devise the best-suited configuration for typical urban wireless Sensor Network use-cases, i.e. applications, QoS/energy constraints and network topology.To that effect, we provide comprehensive analytical models to compare the different families of MAC protocols in terms of Delivery Rate and Energy Consumption, e.g. syn- chronous vs asynchronous, contention-based vs direct access etc. Headlines results include a near-optimal synchronization scheme with regards to the overall energy consumption in a data collection use-case, a mathematical framework to devise the least energy-cost contention algorithm for a given Delivery Rate and closed-form expressions of the Energy Consumption and Delivery Rate for popular access control protocols.These results are then synthesised in a comparison study of the two prevailing urban sensors network architectures, i.e. long-range and multihop. We show that long-range sen- sor networks are best-suited for low-traffic and sparser network topologies, i.e. less than 4 frames per node per day with less than 5000 nodes sharing the same collection gateway, or sink. Indeed, in our model setup, i.e. 100 bit/s to 2400bits/s radio chips, such networks perform better in terms of energy efficiency versus Delivery Rate than our reference mul- tihop architecture. Higher traffic loads and denser network topologies, however, demand switching to a multihop network operating a synchronous MAC protocol on higher bitrate radios. In our modelisation setup, i.e. a commercial 19.2Kbits radio chip, multihop net- works are shown to cope with up to 4 times more trafic and 2 times more nodes in the topology than long-range networks.Based on the analysis of the architectures best suited for each use-case scenario, i.e.low traffic loads/sparse network and high traffic loads/dense network, we identify suitable optimisations to improve the QoS performance and energy efficiency of said architectures. Those optimisations are threefold. First, we improve on the energy efficiency of the arbi- tration of the medium access by defining a cascading tournament contention algorithm. This protocol, named Cascading Tournament MAC Protocol (CT-MAC), resolve multiple timeslots allocation in a single, energy efficient contention tournament. Compared to prior existing works, where each medium access is solved independently, CT-MAC decreases the energy expenditure of the medium arbitration by up to 12%. This gain is achieved by reducing the medium polling, i.e. carrier sense, frequency by up to the number of simul- taneous access that are resolved in a single tournament. Second, we propose an adaptive relaying scheme for the long-range network architecture named The Self-Adapting Receiver Initiated MAC protocol (SARI-MAC). This scheme is an attempt to cope with coverage holes that occurs when using long-range in a dense urban habitat by letting sensor nodes relay communications of nodes whose link budgets are incompatible with the QoS requi- rements of the network. To that effect, we propose a receiver-initiated MAC protocol that self-adapts to the traffic condition so that the duty-cycle of relayers is kept as low as possible with respect to the load of frames to relay. SARI-MAC shows a decrease of the energy-consumption of up to 50% when compared to the existing state-of-the-art protocol RI-MAC. Unlike RI-MAC, SARI-MAC also proves to self-adapt to the traffic condition of all the setups of our study, without the need of calibrating its parameters.Finally, we proposed an opportunistic relaying scheme named QOR, The QoS orien- ted Opportunistic Routing Protocol. QOR is a routing protocol that exploits long-range, opportunistic radio links to provide faster and more reliable transmissions. To that effect, QOR proposes a joint routing structure and addressing scheme that allows identifying a limited set of nodes than can become opportunistic relayers between a source sensor and the sink. Those nodes then follow an original cascaded acknowledgement mechanism that brings reliable acknowledgment and ensures a replication-free forwarding of the data frames. QOR shows a significant decrease of the delivery delay with up to 40% shorter delays in our simulation setups. QOR also improves on the reliability of the transmissions (up to 15% more deliveries) and on the energy consumption (5% less energy consumption).
Les réseaux de capteurs sans-fil sont composés de dispositifs électroniques conçus pour mesurer une grandeur physique de l’environnement dans lequel ils sont déployés et pour acheminer ces mesures à un système d’information. Dans nos travaux de thèse, nous avons étudié les architectures de réseau (longue-portée vs multi-sauts) et les protocoles de com- munication associés (MAC et routage) afin de déterminer les configurations les mieux indiquées pour des scénarios typiques d’un réseau de capteurs pour la Ville Intelligente (Smart Cities). Après avoir recensé les caractéristiques de ces applications en matière de trafic et de Qualité de Service attendue, nous avons construit des modèles analytiques permettant de comparer les différentes familles de protocoles MAC en terme de taux de livraison et de consommation d’énergie. Ces travaux permettent ainsi de motiver le choix d’un protocole synchrone ou asynchrone, à contention ou à accès direct, en fonction du scé- nario applicatif et du déploiement de réseau considéré. Ces travaux ont notamment mené à la définition d’un schéma de synchronisation quasi-optimal en terme de consommation d’énergie au niveau des capteurs pour un scénario de collecte de données. Ces résultats incluent également un modèle mathématique identifiant l’algorithme de contention à coût énergétique minimum pour un taux de livraison cible. Nous fournissons également les ex- pressions en forme-close de la consommation d’énergie moyenne et du taux de livraison pour les méthodes de partage d’accès au medium de communication couramment utilisées. Ces résultats et modèles sont ensuite utilisés dans une étude comparative des architectures réseaux prédominantes dans les déploiements urbains de capteurs sans-fil, c’est à dire les architectures longue-portée et multi-sauts. Dans ces travaux, nous montrons que l’archi- tecture réseau à radio longue-portée et bas-débit, typiquement d’une portée supérieure à 1km & 100bits/s de débit, présente une consommation d’énergie moindre pour des déploie- ments peu denses en capteurs et pour des volumes de trafic faibles, c’est à dire moins de 5000 capteurs par passerelle de collecte et moins de 4 trames de données par capteur et par jour. Une densification du réseau ou une intensification des collectes d’information nécessite au contraire l’usage d’un réseau multi-sauts à débit supérieur, typiquement 20kbits/s et 100-400m de portée radio. Nos modélisations, calibrées pour des capteurs actuellement en production par un partenaire industriel, montrent que de tels déploiements sont en mesure de supporter 4 fois plus de trafic applicatif et jusqu’à deux fois plus de nœuds dans le dé- ploiement pour un scénario de relève de compteurs. Sur la base des résultats de cette étude, c’est à dire l’architecture et les choix de protocoles adaptés à chaque scénario de déploie- ment, nous proposons ensuite un ensemble d’optimisation des protocoles de communication permettant d’améliorer la Qualité de Service et la dépense énergétique des compteurs. Ces optimisations comportent trois volets. Nous proposons dans un premier temps une mé- thode d’accès au médium de communication permettant l’allocation de plusieurs instants de transmission en une phase unique de tournoi. Cette optimisation vise à réduire le pôle de consommation majoritaire des réseaux multi-sauts, tel qu’identifié dans l’étude précédente. Le protocole résultant, nommé Cascading Tournament MAC Protocol (CT-MAC), résout l’allocation de plusieurs instants de transmission en une unique phase de compétition et de manière distribuée. Comparé aux protocoles existants, où chaque instant de transmission fait l’objet d’un tournoi distinct, CT-MAC réduit la consommation d’énergie de l’arbitrage du médium. Nos simulations montrent en effet une puissance dissipée inférieure de 12% à celui du protocole SCP-MAC. Ce gain résulte de la réduction de la fréquence d’échantillon- nage du médium, c’est à dire Carrier Sense, d’un facteur égal au nombre d’instants résolus simultanément par tournoi. Nous proposons ensuite un mécanisme de relayage adaptatif pour l’architecture de réseau longue-portée. Le protocole associé, nommé The Self-Adapting Receiver Initiated MAC protocol (SARI-MAC), est conçu de manière à pallier aux ‘trous’ de couverture que présentent les systèmes radio longue-portée lorsqu’ils sont déployés dans un habitat urbain dense. Pour cela, SARI-MAC propose d’exploiter certains nœuds du réseau, choisis pour leurs ressources en énergie, en tant que relais pour leurs voisins dont le bilan radio est insuffisant pour respecter les exigences de Qualité de Service de l’applica- tion. SARI-MAC est un protocole MAC asynchrone, initié récepteur dont les paramètres s’adaptent automatiquement aux conditions de trafic et aux contraintes de cycle d’activité imposées par la durée de vie souhaitée des nœuds capteurs et par la législation. SARI-MAC exhibe une consommation énergétique inférieure de 50% à celle du protocole de l’état de l’art RI-MAC. Par ailleurs, contrairement à ce dernier, SARI-MAC est en mesure d’adap- ter ces paramètres de fonctionnement aux conditions de trafic, sans intervention extérieure. Finalement, nous proposons un schéma de routage opportuniste appelé The QoS oriented Opportunistic Routing Protocol (QOR). QOR est un protocole de routage qui tire profit des liens radio longue portée, opportunistes afin d’améliorer la fiabilité et la latence des transmissions de données dans un réseau de collecte. Pour ce faire, QOR propose une struc- ture de routage combinée à un schéma d’adressage permettant d’identifier un ensemble de nœuds du déploiement jouant le rôle de relais entre une source et la passerelle de collecte. Ces nœuds relais exécutent un algorithme d’acquittement en cascade garantissant la fia- bilité des transmissions et l’absence de duplication de trames applicatives. D’après nos simulations, QOR montre une amélioration significative du taux de livraison (+15% sur le taux de livraison), une diminution des latences de livraison (jusqu’à 40% inférieurs) et une baisse de la consommation d’énergie (5%) lorsqu’il est comparé au protocole développé par l’IETF et standardisé en 2012, RPL.
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