Medium Access Control Facing the Dynamics of Wireless Sensor Networks
Résumé
A WSN consists in spatially distributed autonomous and embedded devices that cooperatively monitor physical or environmental conditions in a less intrusive fashion. The data collected by each sensor node (such as temperature, vibrations, sounds, movements etc.) are reported to a sink station in a hop-by-hop fashion using wireless transmissions. In the last decade, the challenges raised by WSN have naturally attracted the interest of the research community. Especially, significant improvements to the communication stack of the sensor node have been proposed in order to tackle the energy, computation and memory constraints induced by the use of embedded devices. A number of successful deployments already denotes the growing interest in this technology. Recent advances in embedded systems and communication protocols have stimulated the elaboration of more complex use cases. They target dense and dynamic networks with the use of mobile sensors or multiple data collection schemes. For example, mobility in WSN can be employed to extend the network coverage and connectivity, as well as improve the routing performances. However, these new scenarios raise novel challenges when designing communication protocols. The work presented in this thesis focuses on the issues raised at the MAC layer when confronted to dynamic WSN. We have first studied the impact of mobility and defined two new MAC protocols (Machiavel and X-Machiavel) which improve the medium access of mobile sensor nodes in dense networks. Our second contribution is an auto-adaptive algorithm for preamble sampling protocols. It aims at minimizing the global energy consumption in networks with antagonist traffic patterns by obtaining an optimal configuration on each node. This mechanism is especially energy-efficient during burst transmissions that could occur in such dynamic networks.
Un réseau de capteurs sans fil (Wireless Sensor Network, WSN) consiste en une distribution spatiale d'équipements embarqués autonomes, qui coopèrent de manière à surveiller l'environnement de manière non-intrusive. Les données collectées par chaque capteur (tels que la température, des vibrations, des sons, des mouvements etc.) sont remontées de proche en proche vers un puits de collecte en utilisant des technologies de communication sans fil. Voilà une décennie que les contraintes inhérentes à ces réseaux attirent l'attention de la communauté scientifique. Ainsi, de nombreuses améliorations à différents niveaux de la pile de communication ont été proposées afin de relever les défis en termes d'économie d'énergie, de capacité de calcul et de contrainte mémoire imposés par l'utilisation d'équipements embarqués. Plusieurs déploiements couronnés de succès démontrent l'intérêt grandissant pour cette technologie. Les récentes avancées en termes d'intégration d'équipements et de protocoles de communication ont permis d'élaborer de nouveaux scénarios plus complexes. Ils mettent en scène des réseaux denses et dynamiques par l'utilisation de capteurs mobiles ou de différentes méthodes de collection de données. Par exemple, l'intérêt de la mobilité dans les WSN est multiple dans la mesure où les capteurs mobiles peuvent notamment permettre d'étendre la couverture d'un réseau, d'améliorer ses performances de routage ou sa connexité globale. Toutefois, ces scénarios apportent de nouveaux défis dans la conception de protocoles de communication. Ces travaux de thèse s'intéressent donc à la problématique de la dynamique des WSN, et plus particulièrement à ce que cela implique au niveau du contrôle de l'accès au médium (Medium Access Control, MAC). Nous avons tout d'abord étudié l'impact de la mobilité et défini deux nouvelles méthodes d'accès au médium (Machiavel et X-Machiavel) qui permettent d'améliorer les conditions d'accès au canal pour les capteurs mobiles dans les réseaux denses. Notre deuxième contribution est un algorithme d'auto-adaptation destiné aux protocoles par échantillonnage. Il vise à minimiser la consommation énergétique globale dans les réseaux caractérisés par des modèles de trafic antagonistes, en obtenant une configuration optimale sur chaque capteur. Ce mécanisme est particulièrement efficace en énergie pendant les transmissions par rafales qui peuvent survenir dans de tels réseaux dynamiques.
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