Going towards the future Internet of Things through a cross-layer optimization of the standard protocol suite - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2012

Going towards the future Internet of Things through a cross-layer optimization of the standard protocol suite

Vers le futur Internet d'Objets au travers d'une optimisation inter­couche des protocols standardisés

Bogdan Pavkovic
  • Function : Author
  • PersonId : 938448

Abstract

Internet of Things (IoT) paradigm envisages to expand the current Internet with a huge number of the intelligent communicating devices. Wireless Sensor Networks (WSN) deploys the devices running on the meager energy supplies, and measuring environmental phenomena (like temperature, radioactivity, or CO2). WSN popular applications include monitoring, telemetry, and natural disaster prevention. Major WSN challenges are how to allow energy efficiency, overcome impairments of wireless medium, and operate in the self-organized manner. The WSN integrating IoT will rely on a set of the open standards striving to offer scalability, reliability in a variety of the operating scenarios and conditions. Nevertheless, the current state of the standards have interop- erability issues and can benefit from further improvements. The contributions of the thesis work are: * We conducted an experimental analysis and characterization of a WSN environment. Our analysis included the link characterization, correla- tion with environmental parameters as well as network dynamics. Ana- lytical study allowed us to identify key weaknesses of the WSN environ- ment as well a get a better understanding of the dynamics--both link and node neighborhood related. * We confront the interoperability issue of the leading ieee 802.15.4 stan- dard on the Medium Access Control layer and RPL standard on the transport layer. We propose to accommodate the original cluster-tree structure and to build an elegant framework for collision free multi-hop operation of the ieee 802.15.4 that will allow RPL to run on top of it. Furthermore, we evaluate through extensive simulations two distributed schemes that achieve near collision free self-organization of the nodes. * We propose a distributed cross-layer convergecast topology construction within the joint ieee 802.15.4 and RPL framework. Self-organization scheme obtains a topological structure obeying the global recommenda- tions by the sole use of locally measured metrics. Extensive simulations demonstrate the advantages of the resulting structure in terms of con- vergence time, stability, and energy efficiency in long term and a positive impact on the routing performances. * We propose a set of new mechanisms that will improve RPL perfor- mances and enable Quality of Service operation that will handle delay sensitive traffic. Our multi-path opportunistic routing extension helps to improve packet delivery before a deadline, while minimizing overhead and energy consumption compared to the basic version of RPL.
Le paradigme de l'Internet des Objets (IoT) envisage d'enrichir l'Internet actuel avec un grand nombre de dispositifs intelligents communicants. Les réseaux de capteurs sans fil (RCF) exploitent des appareils avec des ressources énergétiques limitées équipés de capteurs afin de récupérer en temps réel des mesures (comme la température, la radioactivité, ou le CO2). Les réseaux de capteurs sont particulièrement pertinents pour la surveillance, la télémétrie ou la prévention des catastrophes naturelles. Cependant, ce type de réseau pose des problèmes majeurs tels que l'utilisation efficace de ressources énergétiques limitées, la prise en charge transparente de nœuds défaillants, sans intervention humaine. L'Internet des Objets ne permettra d'intégrer des réseaux de capteurs autonomes que si les protocoles sont standards et passent à l'échelle. Les contributions de cette thèse sont les suivantes : * nous avons caractérisé expérimentalement un réseau radio multisaut en exploitant statistiquement un grand volume de mesures provenant d'une plate-forme expérimentale opérée par Orange. Notre analyse porte sur la caractérisation d'un lien et de sa qualité ainsi que de la dynamique du réseau. * nous avons proposé de modifier le standard IEEE 802.15.4 afin qu'il puisse cohabiter efficacement avec le protocole de routage actuellement standard de l'Internet des Objets, RPL. En particulier, nous proposons d'exploiter une structure de graphe dirigé acyclique afin d'exploiter une topologie maillée et pallier à la déficience éventuelle d'un nœud. Nous avons proposé également des algorithmes simples d'ordonnancement distribué des supertrames adaptés à cette topologie. * le choix des pères au niveau MAC dans une structure de graphe dirigé acyclique est déterminant dans la qualité des routes possibles dans la couche réseau. Nous avons ainsi proposé un algorithme de choix des pères basé sur plusieurs métriques. Nous aboutissons à une structure permettant d'équilibrer la charge, limitant les points de congestion, utilisant des liens radio de bonne qualité, limitant la congestion au niveau MAC. * nous avons enfin présenté des mécanismes permettant d'offrir une qualité de service dans une pile s'appuyant sur IEEE 802.15.4 et RPL. Notre extension de routage opportuniste et multi-chemin contribue à améliorer la livraison des paquets avant une date limite, tout en minimisant le surcout et la consommation d'énergie par rapport à la version originale de RPL.
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Dates and versions

tel-00804540 , version 1 (26-03-2013)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00804540 , version 1

Cite

Bogdan Pavkovic. Going towards the future Internet of Things through a cross-layer optimization of the standard protocol suite. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG; Université de Grenoble, 2012. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00804540⟩
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