Réseaux de capteurs sans fils multi-sauts à récupération d’énergie : routage et couche liaison de bas rapport cyclique

The goal of the thesis is to enable IPv6 harvested and autonomous wireless sensor networks with very low duty-cycle. It is part of an industrial project, GreenNet, hosted by STMicroelectronics with the goal of being a pioneer in the Internet of Things. The new platform differentiates from its existing competitors by a small size, which implies small battery capacity. However, a photovoltaic cell is capable of recharging the battery even under low light conditions. On top of this, we aim at nodes that sleep for very long periods. Hence, the existing solutions were not completely suited for ourneeds.The thesis proposes to analyze the possible challenges that one can meet while developing a harvested low-duty cycle platform. The most important contribution of this work is that we implement and evaluate the performance of our solutions on real hardware platforms in conditions very close to real-life.In this dissertation, we first of all develop and implement a basic solution based on the IEEE 802.15.4 beacon-enabled standard. We choose the synchronized mode because it allows nodes to reach duty-cycles as low as 0.01%. A more difficult step was to bring multi-hop: we design new a routing scheme inside our network, and a time based access for routers and devices to eliminate interferences as much as possible. The routing scheme is meant to be simple and efficient.We go even further to optimize the total time the nodes are on: we proposed to shut down coordinators before their standardized end of slot when there is no communication. Devices that do not need to send data can skip beacons and only need to wake up to synchronize their clock or to send data. In the same time we solve the problem of multicast for long sleeping nodes by converting these packets into unicast traffic. We also improved the duty-cycle of routers that do no have associated devices by forcing them to beacon slower, as long as they do not have any associated devices.To improve the network performance we also propose a backward compatible multichannel solution. Such a scheme is useful when a link between two nodes achieve very bad performance on a certain channel but better results on a different frequency.All the solutions presented above and discussed in the dissertation were implemented and tested on the GreenNet platform. We also realized measurements of the nodes efficiency while in harvested conditions and showed that it is possible to handle harvested routers, when there is enough available light.L’objectif de cette thèse est de développer un réseau IPv6 constitué de capteurs sans fils autonomes grâce à la récupération d’énergie, fonctionnant à faible rapport cyclique. Cette thèse s’inscrit dans un projet industriel, GreenNet, lancé par STMicroelectronics afin de se positionner sur le marché de l’Internet des Objets. La nouvelle plate-forme utilisée dans ce projet se différencie de ses concurrents par sa petite taille, ce qui implique une faible capacité de batterie. Une cellule photovoltaı̈que permet en revanche de recharger la batterie, y compris dans des conditions de luminosité faible. Pour atteindre l’autonomie, nous avons besoin que les nœuds dorment pour de très longues périodes. Par conséquent, les solutions existantes, bien que peu consommantes, ne sont pas complètement adaptées à nos besoins spécifiques.Dans cette thèse, nous proposons d’analyser les difficultés possiblement rencontrées pendant le développement d’une plate-forme à récupération d’énergie et de bas rapport cyclique. La contribution la plus importante de ce travail est de mettre en œuvre et d’évaluer le rendement de nos solutions sur des plates-formes matérielles dans des conditions très proches de la vie réelle.Une première étape du travail réalisée est la conception et l’implémentation de la norme IEEE 802.15.4 utilisant les balises pour maintenir la synchronisation. Nous choisissons le mode synchronisé car il permet aux nœuds d’atteindre des rapports cycliques aussi bas que 0,01%. La seconde étape est d’apporter le multi saut : nous proposons une optimisation du protocole de routage, ainsi qu’un contrôle d’accès par multiplexagetemporel pour les routeurs et les dispositifs afin d’éliminer les interférences.Nous allons même plus loin dans l’optimisation du temps où les nœuds sont allumés: nous proposons d’éteindre les coordinateurs avant la fin de leur période d’activité définie par le standard, lorsqu’il n’y a pas de communications. Les nœuds qui ne nécessitent pas d’envoyer des données peuvent sauter des balises et se réveiller seulement lorsqu’il est nécessaire de synchroniser les horloges, ou d’envoyer des données. Dans le même temps, nous résolvons le problème de multicast pour les nœuds qui dorment durant de longues périodes, en convertissant ces paquets en paquets unicast. Nous améliorons également le rapport cyclique de routeurs qui n’ont pas de nœuds associés en les forçant envoyer la balise moins souvent, tant qu’ils n’ont pas des nœuds associés.Pour améliorer la performance du réseau, nous proposons aussi une solution rétro compatible qui utilise plusieurs canaux. Un tel système est utile quand un lien entre deux nœuds subit de très mauvaise performance sur un certain canal fréquentiel, mais obtient de meilleurs résultats sur une fréquence différente.Toutes les solutions présentées ci-dessus, et discutées dans la dissertation ont été mises en œuvre et testées sur la plate-forme GreenNet. Nous avons également réalisé des mesures sur des nœuds pour vérifier leurs efficacité