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Theses Year : 2020

Autonomous wireless sensor network architecture for vehicular traffic monitoring at an intersection

Architecture autonome d'un réseau de capteurs pour le monitoring du trafic véhiculaire à un carrefour

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Abstract

In many countries, because of the limited financial budget, the growth of road infrastructures is low compared to the growth of population and the number of vehicles in urban areas. Such a context does not make the task easy for authorities in charge of the management of transportation systems. The introduction of information and communication technologies (ICT) allows to better address these issues. Vehicular traffic management at intersections has an impact on the traffic jam observed in the whole city. In this thesis, our goal is to propose a low-cost, lightweight and autonomous Wireless Sensors Network (WSN) architecture for vehicular traffic monitoring, especially at an intersections. Vehicular traffic data collected can be used, for instance, for intelligent traffic lights management. In the WSN architecture proposed in the literature for vehicular traffic monitoring, underground sensors are used. In terms of network communication, these architectures are not realistic. Nowadays, surface-mounted sensors are proposed by manufacturers. The first contribution of this thesis is an experimental characterization of wireless links in a WSN with sensors deployed at the ground level. We evaluate the impact of several parameters like the proximity of the ground surface, the communication frequency and the messages size on the link quality. Result show a poor link quality at ground level. Based on the conclusions of the experiments, the second contribution of this thesis is WARIM, a new WSN architecture for vehicular traffic monitoring at an intersection. In WARIM, the sensors deployed on a lane form a multi-hop WSN with a linear topology (LWSN). In this network, all the data are forwarded toward the sink. In a network with such properties, the computation and communication requirements are highest in the neighborhood of the sink. Thus, the third contribution of this thesis is a virtual nodes-based and energy efficient sensors deployment strategy for LWSN. Compared to a uniform deployment, this deployment improves the network lifetime by 40%. In our intersection monitoring application, it is important to correlate the messages generated by a sensor to its position with respect to the intersection. Therefore,the fourth contribution of this thesis is, a centroid-based algorithm for sensors ranking in a LWSN. We evaluate the performance of this algorithm considering a realistic channel model, a uniform deployment, as well as the virtual nodes based-deployment proposed in this thesis. Finally, putting all our contributions together, simulations show that WARIM can be used for reliable and real-time vehicular traffic monitoring at an intersection.
Dans plusieurs pays à travers le monde, à cause des moyens financiers qui sont le plus souvent limités, la croissance des infrastructures de transport est généralement faible comparée non seulement à celle de la populations en zone urbaine, mais aussi à celle du parc automobile. Un tel contexte ne rend pas la tâche facile aux autorités en charge de la gestion des systèmes de transport. L'introduction des technologies de l'information et de la communication a permis à ces autorités de mieux adresser ce problème. Dans les centres urbains, la gestion du trafic véhiculaire aux intersections à un impact sur la congestion dans toute la ville. Dans cette thèse, notre objectif est de proposer une architecture de réseau de capteurs sans fil pour mesurer le trafic véhiculaire aux intersections. L'architecture proposée doit non seulement avoir un coût financier raisonnable, mais doit également être légère et autonome. Les architectures proposées dans la littérature utilisent des capteurs déployés sous la chaussée. D'un point de vu communication réseau, ces architectures sont irréalistes. La première contribution de cette thèse est la caractérisation des liens radio dans un réseau avec des capteurs déployés en surface du sol. Les résultats montrent un lien radio de mauvaise qualité au sol. Partant des conclusions de ce premier travail, la seconde contribution de cette thèse est WARIM, une nouvelle architecture de réseau de capteurs sans fil pour le monitoring du trafic véhiculaire au niveau des intersections. Dans WARIM, les capteurs déployés sur une voie forment un réseaux de capteurs sans fil, multi saut et ayant une topologie physique linéaire. Dans ce réseau, toutes les données sont relayées en direction d'un même point de collecte. Dans un tel réseau, les besoins en terme de traitement et de communication sont plus élevés dans le voisinage du point de collecte. Ainsi, la troisième contribution de cette thèse est, considérant un réseau de capteur linéaire, une stratégie de déploiement des capteurs basée sur le concept de noeuds virtuelles. Comparée a` un déploiement uniforme, la solution que nous proposons prolonge la durée de vie du réseau de l'ordre de 40%. Dans l'application de monitoring du trafic véhiculaire considérée dans cette thèse, il est important de corréler les messages générés par un capteur à sa position. La quatrième contribution de cette thèse est, considérant un réseau de capteur linéaire, un algorithme de classement des capteurs basé sur la centroide. Nous évaluons les performances de cet algorithme en considérant un modèle de communication réaliste, un déploiement uniforme, et aussi le déploiement proposé dans cette thèse. Finalement, en mettant ensemble toutes nos contributions, des simulations montrent que WARIM, l'architecture que nous avons proposée dans cette thèse, peut être utilisée pour une collecte fiable et en temps réel du trafic véhiculaire au niveau d'une intersection.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03088530 , version 1 (26-12-2020)
tel-03088530 , version 2 (29-01-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03088530 , version 2

Cite

Rodrigue Domga Komguem. Autonomous wireless sensor network architecture for vehicular traffic monitoring at an intersection. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Université de Lyon; Université de Yaoundé II, 2020. English. ⟨NNT : 2020LYSEI050⟩. ⟨tel-03088530v2⟩
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