Propositions pour un protocole déterministe de contrôle d'accès et de routage avec économie d'énergie dans les réseaux ZigBee

Rédaction : Juin 2008The development of sensor network technologies is an incentive for industries to consider alternatives reducing costs and complexity while improving reliability. Among the current wireless solutions, IEEE 802.15.4/ZigBee LP-WPAN technology provides the mechanisms and the necessary guarantees for industrial use. We propose synchronization mechanisms entirely deterministic allowing the use of the IEEE 802.15.4 standard slotted mode in a meshed network, and the « AODV en » adaptive routing method for messages sent in a wide area network. Firstly, we look at the IEEE 802.15.4/ZigBee technology, especially its ability to retain its deterministic behavior and energy efficiency in a meshed network architecture. This study shows several shortcomings in the standard. Our contribution is to make up for those shortcomings by a centralized synchronization reactive to topology changing, avoiding beacons and GTS collision. These changes will be added to the MAC sub-layer. Secondly, none of the most commonly used routing protocols (ISO Model layer 3), take into account simultaneously the essential criteria to industrial communications to hard consumption and time constraints. We offer an adaptive routing mechanism searching paths to optimize the energy-limited nodes lifespan and based on the optimization of both delay and consumption. This latter contribution requires knowledge of the energy level of each autonomous node; therefore, we have analyzed and evaluated the consumption of each autonomous wireless node using the standard. Thus, we offered information about delay and battery level of each node taken into account in our adaptive routing mechanism. All of our proposals are validated using various methods including Timed Petri Nets, simulation and prototyping. The results are exposed in the wake of each of our contributions.Le développement des technologies de réseaux de capteurs incite les industries à envisager des alternatives réduisant les coûts et la complexité tout en améliorant la fiabilité. Parmi les solutions sans fil actuelles, la technologie LP-WPAN IEEE 802.15.4/ZigBee dispose des mécanismes et des garanties nécessaires pour une utilisation industrielle. Nous proposons des mécanismes de synchronisation entièrement déterministe permettant l'utilisation du standard IEEE 802.15.4 en mode balisé dans un réseau maillé, ainsi qu'une méthode de routage adaptative « AODV en » pour les messages transmis dans un réseau étendu. En premier lieu, nous analysons la technologie IEEE 802.15.4/ZigBee, plus particulièrement sa capacité à conserver son comportement déterministe et économe en énergie dans une architecture de réseau maillé. Cette étude met en évidence plusieurs insuffisances du standard. Notre contribution consiste à palier à ces manques par une synchronisation centralisée réactive aux changements de topologie, esquivant les collisions de balises et de GTS. Ces modifications seront apportées au niveau de la sous-couche MAC. En second lieu, aucun des protocoles de routage (couche 3 du modèle ISO) actuellement les plus utilisés, ne prennent en compte simultanément les critères indispensables au contexte des communications dans un environnement industriel à fortes contraintes sur la consommation et sur le temps. Nous proposons un mécanisme de routage réactif adaptatif recherchant les routes optimisant la durée de vie des noeuds du réseau contraints énergétiquement, et basé sur l'optimisation conjointe du délai et de la consommation. Pour cela, nous avons analysé et évalué la consommation de chacun des noeuds sans fil autonomes utilisant le standard. Nous avons ainsi proposé des informations de délai et de niveau de charge de la batterie de chacun des noeuds, prises en considération dans notre mécanisme de routage adaptatif. L'ensemble de nos propositions sont validées en utilisant diverses méthodes dont les réseaux de Petri temporisés, la simulation et le prototypage. Les résultats obtenus sont exposés à la suite de chacune de nos contributions