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Optimisation de la performance d'un réseau de capteurs sans fil pour les applications de collection de données à faible énergie et courte latence

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Osman Abdi, Mohamed (2020). Optimisation de la performance d'un réseau de capteurs sans fil pour les applications de collection de données à faible énergie et courte latence. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les techniques émergentes d'apprentissage automatique et d'intelligence artificielle s'attendent à recevoir de plus en plus de données des capteurs IoT et plus souvent. Ces noeuds doivent donc pouvoir gérer la multitude de données provenant d'innombrables sources. TSCH (Time Slotted Channel Hopping), le protocole MAC défini dans les normes de communication sans fil IEEE 802.15.4e, joue un rôle crucial dans la réduction de la latence et la minimisation de la consommation énergétique. Dans TSCH, le temps est divisé en intervalles de temps et un calendrier détermine l'action qu'un noeud doit entreprendre dans chaque intervalle de temps (émission, réception ou mise en veille). Dans le cas du trafic convergeant, les noeuds proches de la racine sont constamment en demande et ont un trafic important car tous les noeuds acheminent des paquets vers cette destination. Dans ce contexte, les algorithmes de planification des cellules, qui sont responsables du comportement de chaque noeud à chaque intervalle de temps, doivent encore évoluer pour prendre en charge le trafic convergeant et fournir des solutions à la demande croissante de données dans le monde d'aujourd'hui.

Dans ce mémoire, nous proposons OSCAR, un nouvel algorithme d'allocation de cellules TSCH d'ordonnancement autonome basé sur l’algorithme d’Orchestra. Cette nouvelle conception diffère d’Orchestra par le fait qu'OSCAR attribue les slots en fonction de l'emplacement du noeud par rapport à la racine. Le but de cet algorithme est d'allouer des slots aux noeuds en fonction de leurs besoins. Cet algorithme gère le nombre de créneaux horaires alloués à chaque noeud en utilisant la valeur du rang décrit par le protocole de routage RPL. Le but étant que plus le noeud est proche de la racine, plus il obtient de slots afin de maximiser les opportunités de transmission. Pour éviter la surconsommation, OSCAR met en place un mécanisme permettant d'ajuster le cycle de service radio de chaque noeud en réduisant les slots alloués aux noeuds inactifs quelle que soit leur position sur le réseau.

Nous implémentons OSCAR sur Contiki-ng et évaluons ses performances sur un réseau composé de dix noeuds. L'analyse des performances d'OSCAR montre qu'il surpasse Orchestra en termes de latence et de fiabilité moyennes, en particulier lorsque le trafic est dense et encombré. Enfin par rapport au gain précédent la consommation d'énergie n'augmente pas beaucoup.

Titre traduit

Optimizing the performance of a wireless sensor network for low-energy, short-latency data collection applications

Résumé traduit

Emerging machine learning and artificial intelligence techniques expect to receive more and more data from IoT sensors and more often. These nodes must therefore be able to handle the multitude of data coming from countless sources. TSCH (Time Slotted Channel Hopping), the MAC protocol defined in the wireless communication standards IEEE 802.15.4e, plays a crucial role in reducing latency and minimizing power. In TSCH, time is divided into timeslots and a schedule determines what action a node needs to take in each timeslot (transmit, receive, or sleep). In the case of convergecast traffic, nodes close to the root are constantly in demand and have heavy traffic because all nodes are forwarding packets to that destination. In this context, cell scheduling algorithm, which are responsible of each node’s behavior at each timeslot, has to evolve further to support convergecast traffic and to provide solutions to the growing demand for data in today's world.

In this thesis, we propose OSCAR, a novel autonomous scheduling TSCH cell allocation algorithm based on Orchestra algorithm. This new design differs from orchestra by the fact that OSCAR allocates slots according to the location of the node relative to the root. The goal of this algorithm is to allocate slots to nodes according to their needs. This algorithm manages the number of timeslot allocated to each node using the value of the rank described by the RPL routing protocol. The goal being that the closer the node is to the root, the more slots it gets in order to maximize the transmission opportunities. To avoid overconsumption, OSCAR sets up a mechanism to adjust the radio duty cycle of each node by reducing the slots allocated to inactive nodes regardless of their position on the network.

We implement OSCAR on Contiki-ng and evaluate its performance on a network made up of ten nodes. The performance analysis of OSCAR shows that it outperforms Orchestra on the average latency and reliability especially when the traffic is heavy and congested. Finally compared to the previous gain the energy consumption does not increase much.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie des technologies de l’information". Comprend des références bibliographiques (pages 109-112).
Mots-clés libres: réseau de capteurs sans fil, TSCH, planification autonome, RPL, IEEE 802.15.4e, faible latence, optimisation énergétique, réseaux convergeant
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Nabki, Frédéric
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie des technologies de l'information
Date de dépôt: 23 sept. 2021 17:54
Dernière modification: 24 sept. 2021 18:29
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2698

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