A Location Routing Protocol Based on Smart Antennas for Wireless Sensor Networks

RÉSUMÉ: Les réseaux de capteurs sans fil sont une technologie émergente pour la surveillance de l'environnement. Un réseau de capteurs typique se compose d'un grand nombre de capteurs miniatures (noeuds) multifonctionnels, à faible coût et à faible consommation d'énergie, équipés d'un radio émetteur-récepteur et d'un ensemble de transducteurs pour récolter et transmettre des données environnementales d'une manière autonome. Une des contraintes les plus importantes de capteurs est la nécessitée d'économiser de l'énergie puisqu'ils utilisent des batteries de duré limitée, généralement irremplaçables. En outre, ils se caractérisent également par une faible vitesse de traitement, capacité de stockage et de bande passante, qui nécessite une gestion des ressources très attentive. En raison des limitations et caractéristiques inhérentes aux capteurs, le routage dans les réseaux de capteurs sans fil suppose un vrai défi. La tâche de trouver et de maintenir des routes n'est pas triviale étant donné les restrictions d'énergie et les changements soudains dans l'état des noeuds (exemple: mal-fonctionnement) qui entrainent des changements fréquents et imprévisibles dans la structure topologique. Ce travail présente LBRA, un nouveau protocole de routage géolocalisé qui utilise des antennes intelligentes pour estimer les positions des noeuds dans le réseau, et qui base les décisions de routage sur l'état de connexion des voisins et leur position relative. L'objectif principal de LBRA est d'éliminer le trafic de contrôle du réseau autant que possible. Pour atteindre cet objectif, l'algorithme emploie la position locale pour prendre des décisions de routage, met en oeuvre un nouveau mécanisme pour recueillir les informations de localisation et utilise seulement les noeuds impliqués dans la route pour faire la synchronisation des données de positionnement. De plus, le protocole considère le niveau de la batterie au moment de prendre des décisions de routage afin de balancer la dépense d'énergie du réseau. LBRA est une version améliorée du routage de ZigBee (norme actuelle pour les réseaux à faible coût et à faible consommation d'énergie) qui se base, lui aussi, sur AODV. Afin d'évaluer dans quelle mesure LBRA représente vraiment une amélioration par rapport au routage de ZigBee, une série de simulations a été effectué à l'aide du logiciel Network Simulator (ns). Les deux protocoles ont été implantés dans le simulateur. Les performances ont été comparées dans une variété de scenarios, dans des conditions différentes tels que les charges de trafic, les tailles de réseau et les conditions de mobilité. Les résultats des expériences ont montré que LBRA réussi à réduire le trafic de contrôle et la charge de routage, tout en améliorant le taux de livraison des paquets, à la fois pour les réseaux fixes et les réseaux mobiles. L'abaissement de l'alimentation du réseau est aussi plus équilibré, puisque les décisions de routage sont prises en fonction du niveau de la batterie des noeuds. ABSTRACT: Wireless sensor networks are an emerging technology for environmental monitoring. A typical sensor network is composed of a large number of low-cost, low-power, multi-functional miniature sensor devices (nodes) equipped with a radio transceiver and a set of transducers utilized to acquire information about the surrounding environment. One of the most important constraints of sensor nodes is the low power consumption requirement since they carry limited, generally irreplaceable, batteries. In addition, they are also characterized by scarce processing speed, storage capacity and communication bandwidth, thus requiring careful resource management. Due to the inherent characteristics and restrictions of sensor nodes, routing in WSNs is very challenging. The task of finding and maintaining routes is nontrivial since energy restrictions and sudden changes in node status (e.g. failure) cause frequent and unpredictable topological changes. This work introduces a novel location routing protocol that uses smart antennas to estimate nodes positions into the network and to deliver information basing routing decisions on neighbour's status connection and relative position, named LBRA. The main purpose of LBRA is to eliminate network control overhead as much as possible. To achieve this goal, the algorithm employs local position for route decision, implements a novel mechanism to collect the location information and involves only route participants in the synchronization of location information. In addition, the protocol uses node battery information to make power aware routing decisions. LBRA is an enhanced version of the ZigBee routing, which is the current standard for reliable, cost-effective and low power wireless networking, and like the latter is prototyped from AODV. In order to asses to what extent LBRA truly represents an improvement with respect to the ZigBee routing, a series of simulations were designed with the help of the Network Simulator (ns). Basically, both protocols were implemented in the simulator and its performance was compared in a variety of traffic load, network size and mobility conditions. The experiment results showed that LBRA succeed in reducing the control overhead and the routing load, improving the packet delivery rate for both static and mobile networks. Additionally, network power depletion is more balanced, since routing decisions are made depending on nodes' battery level