Auto-organisation des réseaux sans-fil multi-sauts dans les villes intelligentes

In recent years, cities have become more and more connected. Readings of the electricity usage are being performed wirelessly. In order to reduce the energy consumption, lampposts became intelligent, while the garbage trucks communicate with dust bins in order to plan the garbage collection tours. These networks often lack the infrastructure and sensor nodes rely on a battery with a limited capacity. In this thesis, I analyze the issues of multi-hop wireless networks in smart cities. First, I study the significance and impact of network topologies on network performance. More precisely, through simulations and an experimental study, I show that the placement of nodes impacts the performance of geographic routing algorithms. Then, I propose a set of clustering algorithms for wireless sensor networks that optimize the lifetime of the network. The key hypothesis is that a cluster-head is consuming more energy than a regular node. This set of algorithms, named BLAC, creates multi-hop clusters in which each cluster-head is the root of a tree. The main idea is that the role of each cluster-head should be assigned regarding the remaining energy of nodes and their neighborhood. These algorithms have been tested through simulations based on realistic city topologies with simulation parameters resembling the real world. In the end, I propose a routing algorithm for large scale smart cities that combines two geographic routing techniques. It relies on the hypothesis that only a fraction of nodes in the network are aware of their positions. I show that it is possible to achieve the performance close to classical routing algorithms, even under this hypothesis.Les villes du futur et actuelles sont de plus en plus connectées. Les relèves de compteur électrique, de gaz et d'eau se font de plus en plus à distance et sans-fil. Les luminaires des villes deviennent intelligents et communiquent pour économiser l'énergie et offrir un éclairage adapté. Les engins de ramassage des ordures communiqueront bientôt avec les poubelles afin d'anticiper les tournées de ramassage et de mieux connaître le contenu des containers. Pour des questions de coûts et de rapidité de déploiement, ces réseaux sont souvent sans infrastructure. Par ailleurs, pour les mêmes raisons, chaque nœud du réseau puise son énergie dans une batterie donc la capacité est limitée. Il convient donc pour ces réseaux particuliers, déployés dans un environnement contraint, de trouver des solutions d'organisation et de communication adaptées. À travers cette thèse je propose d'étudier la problématique des réseaux sans-fil multi-sauts dans les villes intelligentes. J'étudie dans un premier temps l'importance et l'impact de la topologie sur les performances réseau. Plus précisément, au travers de simulations et d'études expérimentales, je démontre que le placement des nœuds impacte les performances des algorithmes et que, par conséquent, il est nécessaire d'étudier les algorithmes pour réseaux de capteurs sans-fil sur des topologies qui correspondent à l'application ciblée. Je propose ensuite une famille d'algorithmes de clustering pour réseaux de capteurs sans-fil permettant d'optimiser la durée de vie du réseau. L'hypothèse clé de ces algorithmes est qu'un chef de cluster (cluster-head ) consomme plus d'énergie qu'un nœud sans rôle particulier. En effet, le cluster-head se voit souvent attribuer des tâches supplémentaires telles que l'agrégation de données et la transmission à un nœud puits, plus lointain donc plus coûteux à joindre. Cette famille d'algorithmes nommée BLAC permet de créer des clusters multi-sauts dans lesquels chaque tête de cluster est la racine d'un arbre qui compose le cluster. Dans chaque cluster, les données sont acheminées vers le cluster-head grâce à un gradient routing. L'idée principale de ces algorithmes est que le rôle de cluster-head doit être attribué en fonction du niveau d'énergie des nœuds et de leur voisinage. Ces algorithmes ont été testés grâce à des simulations sur des topologies de villes réalistes avec des paramètres de simulation tirés du monde réel. Enfin, je propose un algorithme de routage pour des réseaux de villes intelligentes à large échelle. Cet algorithme repose sur l'hypothèse que seulement certains nœuds du réseau ont une connaissance de leur position. Cette position peut être acquise parce que ces nœuds sont équipés d'une puce de localisation (telle que le GPS) ou parce qu'ils sont fixes et configurés au moment du déploiement avec leur position pré-programmée. Cet algorithme epose sur la combinaison de deux techniques de routage, classique et géographique : AODV et Greedy geographic routing. Je montre qu'il est possible d'obtenir des performances proches des algorithmes de routage géographique alors même qu'un sous ensemble des nœuds du réseau n'a pas connaissance de sa position