Geographical multipath routing based on swarm intelligence for wireless sensors and actuators networks: Application to Smart Grids
Routage géographique multi-chemin basé sur l’intelligence d’essaim pour réseaux de capteurs et d’actionneurs sans fil : Application aux Smart Grids
Résumé
The Smart Grid concept should play a key role in the quest for better management
of electrical energy in the global energy situation increasingly critical. By bringing
together the resources connected to the conventional power grid and communications
infrastructure, the Smart Grid enables intelligent management of electrical energy. The
implementation of Smart Grids should lead the implementation of a communication
infrastructure for data exchange between the various entities connected to these networks.
This thesis is positioned in the context of wireless sensors and actuators networks
in smart grids. Through this work, we have proposed a data routing protocol for the
communication network to the distribution network level. First, we proposed a new
geographical routing protocol based on swarm intelligence for wireless sensors and
actuators networks. The protocol uses the geographic routing as a main data routing
mechanism, and uses a recovery mechanism based on ant colony optimization to bypass
communication voids and to create multi-way around these voids. The protocol performance
was validated through simulations. By comparing the results to the state of
the art, the proposed protocol improve network performances in terms of data delivery
rate, end-to-end delay and delivery cost. Secondly, we proposed the use of the protocol
proposed as the routing protocol in wireless neighborhood area networks (NANs) Smart
Grid. The proposed protocol ensures all communication paradigm types, especially
Point-to-Point communication while providing scalability and self-healing capabilities.
The feasibility and applicability of the protocol in NANs was confirmed through
simulations using parameters defined by NIST (National Institute of Standards and
Technology) to validate the proposed solutions for the smart grid. Finally, we focused
on the qualities of service (QoS) required by applications and services using NAN. We
have thus added a QoS model to the proposed routing protocol to take account of NAN’s
communication requirements. The performance of the new protocol was validated
through simulations. The results showed that the protocol can satisfy the most severe
requirements in terms of reliability and end-to-end delay.
Le concept de Smart Grid devrait jouer un rôle primordial dans la quête d’une meilleure
gestion de l’énergie électrique dans un contexte énergétique mondial de plus en plus
critique. En rassemblant les ressources connectées au réseau électrique conventionnel
et une infrastructure de communication, le Smart Grid permet une gestion intelligente
de l’énergie électrique. La mise en oeuvre des Smart Grids devrait engendrer la mise en
place d’une infrastructure de communication permettant l’échange des données entre
les différentes entités connectées à ces réseaux. Cette thèse se positionne dans le contexte
des réseaux de capteurs et d’actionneurs sans fils appliqués dans les réseaux d’électricité
intelligents. A travers cette thèse, nous avons proposé un protocole de routage des
données sur le réseau de communication au niveau réseau de distribution. Dans un
premier temps, nous avons proposé un nouveau protocole de routage géographique
basé sur l’intelligence d’essaim pour les réseaux de capteurs et d’actionneurs sans fil.
Le protocole utilise le routage géographique comme mécanisme principal de routage
de données, et utilise un mécanisme basé sur l’optimisation par colonies de fourmis
pour contourner les vides de communication et créer du multi-chemin autour de ces
zones vides. Les performances du protocole ont été validées à travers des simulations.
En comparant les résultats à l’état de l’art, le protocole proposé permet d’améliorer
les performances du réseau en termes de taux de livraison des données, temps de
réception des données et coût de livraison. Dans un second temps, nous avons proposé
l’utilisation du protocole proposé comme protocole de routage dans les réseaux de
voisinages (NAN) sans fil du Smart Grid. Le protocole proposé permet d’assurer tous
les types de paradigme de communication, en particulier la communication Point-à-
Point tout en offrant une évolutivité et des capacités d’auto-guérison. La faisabilité et
l’applicabilité du protocole dans les NANs a été confirmée à travers des simulations,
en utilisant des paramètres définis par le NIST (National Institute of Standards and
Technology), pour valider les solutions proposées pour le Smart Grid. Enfin, dans
un troisième temps, nous nous sommes concentrés sur les qualités de service (QoS)
requises par les applications et services utilisant le NAN. Nous avons, ainsi, ajouté un
modèle de QoS au protocole de routage proposé pour tenir compte de ces exigences.
Les performances du nouveau protocole ont été validées à travers des simulations.
Les résultats ont montré que le protocole permet de satisfaire les exigences les plus
contraintes en termes de fiabilité et de délai de réception des données
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