Development of Spectrum Sharing Protocol for Cognitive Radio Internet of Things
Développement du Protocole de Partage du Spectre pour la Radio Cognitive Internet des Objet
Résumé
Internet of Things (IoT) presents a new life style by developing smart homes, smart grids, smart city, smart transportation, etc., so IoT is developing rapidly. However recent researches focus on developing the IoT applications disregarding the IoT spectrum scarcity problem facing it. Integrating Internet of Things (IoT) technology and Cognitive Radio Networks (CRNs), forming Cognitive Radio Internet of Things (CRIoTs), is an economical solution for overcoming the IoT spectrum scarcity. The aim of this thesis is to solve the problem of spectrum sharing for CRIoT; the work in thesis is presented in three parts, each represents a contribution. Our first contribution is to propose two new protocols to solve the problem of channel status prediction for interweave CRNs. Both protocols use Hidden Markov Model (HMM). In the training stage of both protocols, the available data are trained to produce two HMM models, an idle HMM model and a busy one. Both models are used together to produce the 2-model HMM. In the prediction stage the first protocol uses Bayes theorem and the 2-model HMM, while the second protocol uses Support Vector Machine (SVM) employing the parameters produced from applying the 2-model HMM, named 2-model HMM-SVM. The 2-model HMM-SVM outperforms the classical HMM and 2-model HMM in terms of the true percentage, the inaccuracy and the probability of primary users’ collision (false negative prediction). In our second contribution, we proposed a centralized time slotted packet scheduling protocol for CRIoTs. It uses Discrete Permutation Particle Swarm Optimization (DP-PSO) for scheduling the IoT device packets among the free slots obtained from applying cognitive radio networks' channel estimation technique proposed in the first part. Our proposed protocol is applied to smart healthcare facility. Configuring three main building blocks for the used application architecture; the IoT devices block, the first layer fog nodes block and the central fog server. Each group of IoT devices is connected to a fog node, the entire fog nodes in the system are connected to the central fog node. The proposed protocol is named Scheduling based-on Discrete Permutation Particle Swarm Optimization (SDP-PSO). An objective fitness function is formulated with three parameters; maximizing the fairness index among fog nodes, minimizing the packets' queuing delay and minimizing the number of dropped packets that exceeded their allowed time in the network without being sent. The performance of the proposed SDP-PSO protocol overcomes an old protocol named spectrum auction in terms of the fairness between fog nodes, the average queuing delay, the number of dropped packets and the time and the space complexity. Finally, in the third contribution, we proposed a distributed packets' scheduling protocol for CRIoTs. Our proposed protocol can be applied to an urban traffic control. The configured system in this part consists of three main building blocks; the IoT devices block, the first fog layer block (Road Side Units (RSUs)) and the second fog layer block. Each group of IoT devices is connected to a RSU, each group of RSU are connected to a fog node which acts as their cluster head. The fog nodes are connected together forming a partial mesh network. The proposed distributed packets' scheduling protocol for CRIoTs is applying three distributed access strategies together with the SDP-PSO proposed in the second part to schedule the packets on the estimated free slots resulted from applying the protocol proposed in the first part. The used access strategies are the classical round robin, in addition to two proposed ones named; the vertex cover and the enhanced round robin. An objective fitness function near similar to that used in the centralized protocol, was applied but with some differences to make it suitable for distributed scheduling.
L'Internet des objets (IoT) présente un nouveau style de vie en développant des maisons intelligentes, des réseaux intelligents, des villes intelligentes, des transports intelligents… etc., alors l'IoT se développe rapidement. Cependant, des recherches récentes se concentrent sur le développement des applications IoT sans tenir compte du problème de rareté du spectre IoT ont recontrant. L'intégration de la technologie de l'Internet des objets (IoT) et des réseaux radio cognitifs (CRN), formant l'Internet des objets par radio cognitive (CRIoT), est une solution économique pour battre la rareté du spectre IoT. Le but de cette thèse est de résoudre le problème du partage du spectre pour CRIoT; le travail en thèse est présenté en trois parties.Notre première contribution est de proposer deux nouveaux protocoles pour résoudre le problème de la prédiction de l'état des canaux pour les CRN entrelacés.Les deux protocoles utilisent le modèle de Markov caché (HMM). Dans la phase d'entrainement des deux protocoles, les données disponibles sont utilisées pour produire deux modèles HMM, un modèle HMM occupé et un modèle pas occupé.Les deux modèles sont utilisés ensemble pour produire le HMM à 2 modèles (2-model HMM). Dans la phase de prédiction, le premier protocole utilise le théorème de Bayes et le modèle HMM à 2 modèles, tandis que le second protocole utilise la machine à vecteur de support (SVM) qui emploie les paramètres produits à partir de l'application du modèle HMM à 2 modèles. Le HMM-SVM à 2 modèles est supérieure l’ HMM classique et le HMM à 2 modèles en termes de pourcentage réel, d'imprécision et de probabilité de collision des utilisateurs principaux(prédiction de faux négatifs). Dans notre deuxième contribution, nous avons proposé un protocole central pour ordonner les de paquets pour CRIoT à créneaux temporels. On applique l'optimisation des essaims de particules à permutation discrète (DP-PSO) pour programmer les paquets IoT parmi les créneaux libres obtenus en appliquant la technique d'estimation de canal des réseaux radio cognitifs proposée dans la première partie. Notre protocole proposé est appliqué aux établissements de santé intelligents.On a compose trois blocs de construction principaux pour la construction d'application utilisée; Blocage des appareils IoT, blocage des nœuds de brouillard de première couche et serveur de brouillard central. Chaque groupe d'appareils IoT est connecté à un nœud de brouillard, tous les nœuds de brouillard du système sont connectés au nœud de brouillard central. Le protocole proposé est nommé Planification basée sur l'optimisation des essaims de particules à permutation discrète(SDP-PSO). Une fonction de fitness objective est formulée avec trois paramètres;maximiser l'indice d'équité entre les nœuds de brouillard, minimiser le délai de mise en file d'attente des paquets et minimiser le nombre de paquets abandonnés qui ont dépassé leur temps dans le réseau sans être envoyés. Les performances du protocole SDP-PSO proposé surmontent un ancien protocole appelé vente aux enchères de spectre en termes d'équité entre les nœuds de brouillard, le délai moyen de mise enfile d'attente, le nombre de paquets abandonnés et la complexité temporelle et spatiale.Enfin, dans la troisième contribution, nous avons proposé un protocole d'ordonnancement de paquets distribués pour CRIoT. Notre proposition de protocole est appliquée à un contrôle de la circulation urbaine. Le système configuré dans cette partie se compose de trois blocs de construction principaux: le bloc d'appareils IoT,le premier bloc de couche de brouillard (unités routières (RSU)) et le deuxième bloc de couche de brouillard. Chaque groupe d'appareils IoT est connecté à une RSU, chaque groupe de RSU est connecté à un noeud de brouillard qui est en de tête du groupe. Les noeuds de brouillard sont connectés ensemble pour former un réseau maillé partiel.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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