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Conception et développement d’une transmission écoénergétique pour les modules IoT sans fil

Conception et développement d'une transmission écoénergétique pour les modules IoT sans fil

L’Ecole doctorale : Sciences et Technologies de l’Information et de la Communication et le Laboratoire de recherche SAMOVAR - Services répartis, Architectures, MOdélisation, Validation, Administration des Réseaux
présentent l’AVIS DE SOUTENANCE de Monsieur Nikesh Man SHAKYA
Autorisé à présenter ses travaux en vue de l’obtention du Doctorat de l’Université Paris-Saclay, préparé à Télécom SudParis en Informatique :

Titre : « Conception et développement d’une transmission écoénergétique pour les modules IoT sans fil »

Quand : le mercredi 6 Février 2019 à 9h00
Où : MEU-CR-Paris, 2 Rue de Paris, 92190, Meudon, France

Membres du jury :

M. Noel CRESPI, Professeur, Télécom SudParis, FRANCE Directeur de thèse
M. Naceur MALOUCH, Maître de Conférences, Université Pierre et Marie Curie (UPMC), FRANCE Rapporteur
M. Stefano SECCI, Professeur, CNAM, FRANCE Rapporteur
Mme Maria POTOP-BUTUCARU, Maître de Conférences, Campus Pierre et Marie Curie - Sorbonne Université - LIP6, FRANCE Examinatrice
M. Nazim AGOULMINE, Professeur, Université d’Évry Val d’Essonne, FRANCE Examinateur
M. Mehdi MANI, Sr. Project Manager, Itron, FRANCE Encadrant de thèse

Résumé :

La transmission radio est une des principales sources de consommation d’énergie des objets connectés dans les réseaux IoT. La durée de vie des objets IoT est le facteur principal qui permet le développement massif d’une solution IoT. La puissance de transmission et le débit binaire de transmission sont les deux paramètres radio qui affectent principalement la consommation d’énergie avec la portée radio, le brouillage, la fiabilité des liaisons et la réutilisation des canaux/de l’espace, Les conditions variables des liaisons radios nécessite le niveau de puissance/débit varie de manière dynamique pour s’aligner à telles conditions instables. Des algorithmes de contrôle de puissance/débit de transmission (TX) ne doivent pas poser des charges supplémentaires pour qu’ils soient applicable pour les appareils IoT avec des ressources de l’énergie limitées. Ils doivent être adaptables et polyvalents aux différentes conditions environnementales et de l’autre côté, être simple et facilement implémentable dans les plateformes capteur/IoT. De nombreux algorithmes dynamiques de transmission de puissance et / ou de contrôle de débit ont été proposés dans la littérature pour économiser la consommation d’énergie. Mais ils ne parviennent pas à satisfaire toutes ces exigences. Chacun d’entre eux a ses forces et ses faiblesses. Par conséquence, il existe le besoin d’un nouvel algorithme qui effectue un contrôle de puissance et / ou de débit qui peut être facilement implémenté dans une véritable plateforme de réseau IoT. Cette thèse présente REACT (Responsive Energy-efficient Adaptive Control of Transmission), une technique qui prend en compte plus d’une information de qualité de liaison pour une meilleure adaptation de la puissance et du débit TX. Il dispose d’une technique de contrôle à auto-apprentissage, polyvalente et adaptative pour l’environnement, avec un objectif global de réduction de la consommation d’énergie de transmission tout en maintenant une fiabilité similaire. Il possède la phase initiale la plus légère possible avec une surcharge nulle et un comportement réactif qui réagit de manière appropriée aux variations des conditions radio. Pour atteindre cet objectif, nous avons commencé par l’étude et la sélection d’une métrique d’estimation de la qualité de la liaison qui constitue un élément crucial de tout mécanisme de contrôle de la puissance ou de la vitesse. ETX (nombre de transmissions prévu) du côté de l’expéditeur et RSSI du côté du récepteur ont été utilisés respectivement comme métrique primaire et secondaire pour fournir des informations de liaison. Deuxièmement, nous avons conçu et développé un mécanisme de contrôle de puissance de transmission réactive à débit binaire fixe (REACT-P). Nous avons prouvé son efficacité en comparant l’utilisation de la puissance constante maximale à débit constant (CPCR) et l’un des algorithmes existants dominants. Troisièmement, cette conception est élargie en ajoutant l’option d’adaptation de débit donnant lieu à REACT ou REACT-PR qui permet de réaliser des économies d’énergie plus importantes en contrôlant à la fois la puissance et le débit. Nous avons évalué nos solutions en utilisant à la fois la simulation et l’expérimentation dans les environnements encombré et non encombré. Les résultats des tests ont montré que, comparé à la CPCR et REACT-P, avec un taux de livraison de paquets similaire, REACT consomme beaucoup moins d’énergie, réduit les interférences, l’occupation des canaux et contribue à prolonger la durée de vie de l’appareil. Même dans le pire des cas, où tous les nœuds transmettent en même temps, l’amélioration de la consommation totale d’énergie était de 46% avec REACT et de 30% avec REACT-P par rapport à CPCR. Les nœuds les plus proches de point d’accès gagnent le maximum de durée de vie par rapport de ceux plus éloignés. Les résultats montrent également que l’amélioration de la consommation d’énergie diminue avec l’augmentation de nombre de transmissions simultanées.

Abstract :

Radio Transmission is one of the major sources of energy consumption in today’s rising IoT devices in low powered and lossy networks. Device longevity has become the foundation of the IoT’s entire value proposition and is a key to unravel the next great wave of IoT. Transmission power and transmission bit-rate are the two radio parameters that principally impact the energy consumption along with the radio coverage, interference, link reliability, channel/spatial reuse etc. Transmitting at a constant high/low power or rate leads to an inefficient energy usage due to the varying, unstable and unpredictable radio links. Hence, the power/rate level should dynamically vary with such erratic radio conditions. Transmission (TX) power/rate control algorithms for the constrained devices in IoT/WSN should have low overheads and must be energy efficient. They need to be adaptive and versatile to different environment conditions ; yet be simple and easily implementable in the real sensor/IoT platform. Many dynamic Transmission Power and/or Rate Control algorithms have been proposed in the literature to economize the energy waste in the massive IoT deployments. But they fail to satisfy all these requirements alone. Each of them has its strengths and weaknesses. Therefore, there is a need of a new algorithm that performs an energy-efficient power and/or rate control which can be easily implemented in a real sensor platform. This thesis presents REACT (Responsive Energy-efficient Adaptive Control of Transmission power and rate), a technique that considers more than one link quality information for better adaptation of TX power and rate. It has a self-learning, versatile and environment-adaptive control technique with a global aim to reduce the transmission energy consumption with insignificant compromise on the packet delivery ratio or throughput. It has least possible initial phase with zero overhead and has a responsive behavior that reacts appropriately to the varying radio conditions. To attain this aim, we commenced with the study and the selection of a proper link quality estimation metric which is a crucial part in any power or rate control mechanism. ETX (Expected Transmission Count) from the sender-side and RSSI (Received Signal Strength Indicator) from receiver-side were used as a primary and a secondary metric respectively to provide multiple link information. Second, we designed and developed a responsive transmission power control at fixed bit-rate (REACT-P). We proved its efficiency comparing with using the maximum constant power at constant rate (CPCR) and one of the dominant existing algorithms. Third, this design is extended considering the bit-rate to give rise to REACT or REACT-PR that offers higher energy savings by controlling both transmission power and rate. We have evaluated our solutions using repetitive simulation and experimentation under both congested and un-congested environment. Simulation were performed in Cooja with TMote Sky motes whereas the experimentations were performed in Itron IoT device hardware compliant with IEEE802.15.4. The test results showed that, comparing to CPCR and REACT-P, with similar packet delivery ratio, REACT consumes much less energy, reduces interference, channel occupancy and aids to prolong the device lifetime. In a worst-case scenario, where all nodes compete for the channel at the same time, the improvement in the average node lifetime was 290% with REACT and 70% with REACT-P with respect to the CPCR. The nodes closer to the sink gain lifetime maximally than those farther away. The results also reveal that the improvement in the energy consumption improves with the decrease in the concurrent transmissions. Although the scope of the algorithm was designed for the battery-operated devices, it is equally applicable to mains line powered devices as well as it can aid in reducing interference, channel occupancy and improve the throughput and latency.