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Auteur Aissaoui, mohammed |
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Titre : Collecte robuste de données en temps réel dans les WSNs Type de document : texte imprimé Auteurs : Aissaoui, mohammed ; Aliouat, Makhlouf, Directeur de thèse Editeur : Setif:UFA Année de publication : 2017 Importance : 1 vol (67f.) Format : 29 cm Langues : Français (fre) Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : Réseaux
Systèmes Distribués
WSN
RCSF
collecte de données
temps réel
TDMAIndex. décimale : 004 Informatique Résumé : Résumé :
Avec le développement rapide des technologies de l’Internet et de la
communication et l’avènement de l'Internet des objets (IoT), les réseaux de capteurs sans
fil (WSN) jouent un rôle clé dans plusieurs domaines d'application, y compris le transport,
le réseau intelligent, les soins de santé, la surveillance environnementale etc. Parmi ces
applications, nombreuses sont celles qui nécessitent des décisions en temps réel. Dans ce
travail, nous avons d'abord présenté un état de l’art sur les techniques de collecte des
données et les protocoles temps réel dans les réseaux de capteurs sans fil. Puis nous nous
sommes intéressés au protocole TDMA (Time Division Multiple Access) standard qui ne
répond aux exigences des applications temps réel des réseaux de capteurs sans fil, pour le
doter de capacités temps réelles. Nous avons ainsi proposé un nouveau protocole de
collecte de données en temps réel sous le nom RTTDMA (real time TDMA). Les résultats
obtenus via simulation de ce protocole, comparés au TDMA originel, ont montré que les
performances de notre proposition ont été pertinentes et convaincantes.
Note de contenu : Table des matières
INTRODUCTION GENERALE……………… .................................................................... 1
Chapitre 1 : les réseaux de capteurs sans fil en temps réel
1 Introduction……………………………........................................................................... 3
2 Les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs ou WSNs) ...................................................... 3
2.1 Caractéristiques des RCSFs.................................................................................................... 4
2.2 Caractéristiques d’un nœud capteur ...................................................................................... 4
2.2.1 L’unité d’acquisition ....................................................................................................... 5
2.2.2 L’unité de traitement ....................................................................................................... 5
2.2.3 Un module de communication (Transceiver).................................................................. 5
2.2.4 La batterie........................................................................................................................ 5
2.2.5 Le « Mobilisateur » (Mobilizer)...................................................................................... 5
2.2.6 Le système de localisation (Location Finding System) .................................................. 5
3 Techniques de collecte de données dans RCSFs............................................................. 5
3.1 Approche par sink statique pour la collecte de données dans RCSF .................................. 6
3.1.1 Fault Tolerant Scheduling for data collection (FTS)....................................................... 6
3.2 Approche par nœud capteur mobile pour la collecte de données ........................................ 7
3.2.1 Approche Prophet............................................................................................................ 7
3.2.2 DFT/MSN: Delay/fault tolerant mobile sensor network for pervasive information gathering ………………………………………………..8
3.3 Approche basée sur la mobilité pour la collecte de données................................................. 8
3.3.1 Un seul sink mobile pour la collecte de données............................................................. 9
3.3.2 Plusieurs agents mobiles pour la collecte de données................................................... 10
4 Agrégation des données……………………….............................................................. 13
4.1 Les exigences de sécurité dans les RCSFs ............................................................................ 15
4.1.1 Confidentialité des données........................................................................................... 15
4.1.2 L’authentification .......................................................................................................... 16
4.1.3 L’intégrité des données.................................................................................................. 16
4.1.4 La disponibilité des données ......................................................................................... 16
4.1.5 La fraicheur des données............................................................................................... 17
4.2 Exemple ....................................................................................................... 17
5 La robustesse………………………. .............................................................................. 17
5.1 Définition de la tolérance aux pannes................................................................................... 17
5.2 Procédure générale de tolérance aux pannes....................................................................... 18
5.2.1 Détection d’erreurs........................................................................................................ 18
5.2.2 Détention de la panne .................................................................................................... 18
5.2.3 Recouvrement d’erreur.................................................................................................. 19
5.2.4 Traitement de pannes..................................................................................................... 19
6 Protocoles temps réel pour les RCSFs .......................................................................... 19
6.1 RAP (A Real-time communication architecture for large scale wireless sensor networks)..................... 19
6.2 SPEED (A Stateless Protocol for Real-Time Communication in Sensor Networks)........ 21
6.3 MMSPEED (Multi-path multi-speed protocol for QoS guarantee of Reliability & Timeliness in WSN)................................ 23
6.4 Real time Power Aware Routing protocol (RPAR)............................................................. 24
6.5 THVR (Two-Hop Velocity based routing protocol)............................................................ 25
6.6 PATH (A Novel Real-Time Power Aware Two-Hop Routing Protocol for Wireless Sensor Networks).............. 26
6.7 Adaptive TDMA Scheduling for Real-Time Flows in Cluster-Based Wireless Sensor Networks ........................ 27
7 Revue de littérature sur les protocoles temps réel proposé pour les RCSFs............. 29
8 Conclusion…………………………. .............................................................................. 32
Chapitre 2 : Le TDMA dans les réseaux de capteurs sans fil en temps réel
1 Introduction………………………................................................................................. 33
2 Motivation…………………………................................................................................ 33
3 Outil de simulation………………….............................................................................. 34
3.1 NS-2 .......................................................................................... 34
3.2 NS3........................................................................................................ 35
4 Protocole RT-TDMA (Real Time TDMA).................................................................... 35
4.1 Hypothèses d Travail.............................................................................................................. 37
4.2 Algorithme .............................................................................................................................. 38
4.2.1 Etape1 ........................................................................................................................... 39
4.2.2 Etape2 ........................................................................................................................... 40
4.2.3 Etape3 ........................................................................................................................... 42
4.3 L’analyse de l’algorithme ...................................................................................................... 44
4.3.1 Nombre de messages..................................................................................................... 44
4.3.2 Le temps de convergence et la complexité.................................................................... 45
4.3.3 Analyse avec les messages d’urgences.......................................................................... 45
4.4 Exemple illustratif.................................................................................................................. 46
4.4.1 Etape1............................................................................................................................ 46
4.4.2 Etape2............................................................................................................................ 46
4.4.3 Etape3............................................................................................................................ 48
5 Evaluation de l’algorithme…………............................................................................. 48
6 Simulation et analyse des résultats…………………………………………………….49
6.1 Exemple de simulation........................................................................................................... 49
6.2 Analyse des résultats de simulation ...................................................................................... 53
6.3 Comparaison entre notre protocole et celui proposé dans (Ali, et al., 2016)..................... 57
6.4 Résumé des résultats........................................................................................... 58
7 Conclusion………………………… ............................................................................... 59
CONCLUSION GENERALE…………………… ............................................................... 60
BIBLIOGRAPHIE……………………………..................................................................... 61
ANNEXE…………………………………............................................................................. 64Côte titre : MAI/0165 En ligne : https://drive.google.com/file/d/1ZVKMlXTcM7bK7QJw4h_Xj0RzI8V_Yccs/view?usp=shari [...] Format de la ressource électronique : Collecte robuste de données en temps réel dans les WSNs [texte imprimé] / Aissaoui, mohammed ; Aliouat, Makhlouf, Directeur de thèse . - [S.l.] : Setif:UFA, 2017 . - 1 vol (67f.) ; 29 cm.
Langues : Français (fre)
Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : Réseaux
Systèmes Distribués
WSN
RCSF
collecte de données
temps réel
TDMAIndex. décimale : 004 Informatique Résumé : Résumé :
Avec le développement rapide des technologies de l’Internet et de la
communication et l’avènement de l'Internet des objets (IoT), les réseaux de capteurs sans
fil (WSN) jouent un rôle clé dans plusieurs domaines d'application, y compris le transport,
le réseau intelligent, les soins de santé, la surveillance environnementale etc. Parmi ces
applications, nombreuses sont celles qui nécessitent des décisions en temps réel. Dans ce
travail, nous avons d'abord présenté un état de l’art sur les techniques de collecte des
données et les protocoles temps réel dans les réseaux de capteurs sans fil. Puis nous nous
sommes intéressés au protocole TDMA (Time Division Multiple Access) standard qui ne
répond aux exigences des applications temps réel des réseaux de capteurs sans fil, pour le
doter de capacités temps réelles. Nous avons ainsi proposé un nouveau protocole de
collecte de données en temps réel sous le nom RTTDMA (real time TDMA). Les résultats
obtenus via simulation de ce protocole, comparés au TDMA originel, ont montré que les
performances de notre proposition ont été pertinentes et convaincantes.
Note de contenu : Table des matières
INTRODUCTION GENERALE……………… .................................................................... 1
Chapitre 1 : les réseaux de capteurs sans fil en temps réel
1 Introduction……………………………........................................................................... 3
2 Les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs ou WSNs) ...................................................... 3
2.1 Caractéristiques des RCSFs.................................................................................................... 4
2.2 Caractéristiques d’un nœud capteur ...................................................................................... 4
2.2.1 L’unité d’acquisition ....................................................................................................... 5
2.2.2 L’unité de traitement ....................................................................................................... 5
2.2.3 Un module de communication (Transceiver).................................................................. 5
2.2.4 La batterie........................................................................................................................ 5
2.2.5 Le « Mobilisateur » (Mobilizer)...................................................................................... 5
2.2.6 Le système de localisation (Location Finding System) .................................................. 5
3 Techniques de collecte de données dans RCSFs............................................................. 5
3.1 Approche par sink statique pour la collecte de données dans RCSF .................................. 6
3.1.1 Fault Tolerant Scheduling for data collection (FTS)....................................................... 6
3.2 Approche par nœud capteur mobile pour la collecte de données ........................................ 7
3.2.1 Approche Prophet............................................................................................................ 7
3.2.2 DFT/MSN: Delay/fault tolerant mobile sensor network for pervasive information gathering ………………………………………………..8
3.3 Approche basée sur la mobilité pour la collecte de données................................................. 8
3.3.1 Un seul sink mobile pour la collecte de données............................................................. 9
3.3.2 Plusieurs agents mobiles pour la collecte de données................................................... 10
4 Agrégation des données……………………….............................................................. 13
4.1 Les exigences de sécurité dans les RCSFs ............................................................................ 15
4.1.1 Confidentialité des données........................................................................................... 15
4.1.2 L’authentification .......................................................................................................... 16
4.1.3 L’intégrité des données.................................................................................................. 16
4.1.4 La disponibilité des données ......................................................................................... 16
4.1.5 La fraicheur des données............................................................................................... 17
4.2 Exemple ....................................................................................................... 17
5 La robustesse………………………. .............................................................................. 17
5.1 Définition de la tolérance aux pannes................................................................................... 17
5.2 Procédure générale de tolérance aux pannes....................................................................... 18
5.2.1 Détection d’erreurs........................................................................................................ 18
5.2.2 Détention de la panne .................................................................................................... 18
5.2.3 Recouvrement d’erreur.................................................................................................. 19
5.2.4 Traitement de pannes..................................................................................................... 19
6 Protocoles temps réel pour les RCSFs .......................................................................... 19
6.1 RAP (A Real-time communication architecture for large scale wireless sensor networks)..................... 19
6.2 SPEED (A Stateless Protocol for Real-Time Communication in Sensor Networks)........ 21
6.3 MMSPEED (Multi-path multi-speed protocol for QoS guarantee of Reliability & Timeliness in WSN)................................ 23
6.4 Real time Power Aware Routing protocol (RPAR)............................................................. 24
6.5 THVR (Two-Hop Velocity based routing protocol)............................................................ 25
6.6 PATH (A Novel Real-Time Power Aware Two-Hop Routing Protocol for Wireless Sensor Networks).............. 26
6.7 Adaptive TDMA Scheduling for Real-Time Flows in Cluster-Based Wireless Sensor Networks ........................ 27
7 Revue de littérature sur les protocoles temps réel proposé pour les RCSFs............. 29
8 Conclusion…………………………. .............................................................................. 32
Chapitre 2 : Le TDMA dans les réseaux de capteurs sans fil en temps réel
1 Introduction………………………................................................................................. 33
2 Motivation…………………………................................................................................ 33
3 Outil de simulation………………….............................................................................. 34
3.1 NS-2 .......................................................................................... 34
3.2 NS3........................................................................................................ 35
4 Protocole RT-TDMA (Real Time TDMA).................................................................... 35
4.1 Hypothèses d Travail.............................................................................................................. 37
4.2 Algorithme .............................................................................................................................. 38
4.2.1 Etape1 ........................................................................................................................... 39
4.2.2 Etape2 ........................................................................................................................... 40
4.2.3 Etape3 ........................................................................................................................... 42
4.3 L’analyse de l’algorithme ...................................................................................................... 44
4.3.1 Nombre de messages..................................................................................................... 44
4.3.2 Le temps de convergence et la complexité.................................................................... 45
4.3.3 Analyse avec les messages d’urgences.......................................................................... 45
4.4 Exemple illustratif.................................................................................................................. 46
4.4.1 Etape1............................................................................................................................ 46
4.4.2 Etape2............................................................................................................................ 46
4.4.3 Etape3............................................................................................................................ 48
5 Evaluation de l’algorithme…………............................................................................. 48
6 Simulation et analyse des résultats…………………………………………………….49
6.1 Exemple de simulation........................................................................................................... 49
6.2 Analyse des résultats de simulation ...................................................................................... 53
6.3 Comparaison entre notre protocole et celui proposé dans (Ali, et al., 2016)..................... 57
6.4 Résumé des résultats........................................................................................... 58
7 Conclusion………………………… ............................................................................... 59
CONCLUSION GENERALE…………………… ............................................................... 60
BIBLIOGRAPHIE……………………………..................................................................... 61
ANNEXE…………………………………............................................................................. 64Côte titre : MAI/0165 En ligne : https://drive.google.com/file/d/1ZVKMlXTcM7bK7QJw4h_Xj0RzI8V_Yccs/view?usp=shari [...] Format de la ressource électronique : Exemplaires (1)
Code-barres Cote Support Localisation Section Disponibilité MAI/0165 MAI/0165 Mémoire Bibliothéque des sciences Français Disponible
Disponible
Titre : Enhancing energy efficiency in IoT devices for sustainable IoT Type de document : texte imprimé Auteurs : Djihane Arab, Auteur ; Manar Meskine ; Aissaoui, mohammed, Directeur de thèse Editeur : Setif:UFA Année de publication : 2024 Importance : 1 vol (72 f .) Format : 29 cm Langues : Anglais (eng) Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : IoT
Software Defined Networking
TDMA
MQTT
SDN
Wireless communication
LoRaIndex. décimale : 004 - Informatique Résumé :
The Internet of Things (IoT) has grown rapidly, connecting physical objects, devices, and
systems to the Internet for data collection and sharing. This connectivity could transform
sectors such as agriculture by improving efficiency and productivity. However, deploying
IoT components comes with challenges, especially regarding power consumption and endurance.
All this is resolved by integrating two major cutting-edge technologies, Software
Defined Networking (SDN), which ensures a centralized IoT network. Moreover, Message
Queuing Telemetry (MQTT) is a lightweight protocol for message transmission. IoT devices,
in particular, can communicate with each other via Several wireless communication
mechanisms. We use LoRa (Long-Range), which optimizes energy consumption for longrange
communication. Our system is based on the MAC layer. This layer is beneficial
for power-sensitive applications such as agriculture. We use this layer to solve the limitations
of Time Division Multiple Access (TDMA) by dynamically allocating time slots,
improving data accuracy under the SDN controller, and implementing this protocol. In
order to extract satisfactory results to be a reference for others.Note de contenu : Sommaire
List of Figures vii
List of Tables x
General introduction 1
1 State of the art 3
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 The Internet of Things . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Characteristics of the IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 IoT Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 IoT Application domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.4 IoT architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Message Queuing Telemetry Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Publisher/Sender paradigm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.2 The Broker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.3 MQTT Multicast management of quality of service . . . . . . . . . 12
1.3.4 MQTT and IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Software-Defined Networking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.1 Background and Evolution of SDN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.2 SDN Architecture and Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Energy-Efficient Techniques in IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.1 IoT Wireless Communication Technologie . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.2 Energy harvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.3 Data reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.4 Sleep/wakeup technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.5 Energy-efficient routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5.6 Optimization application protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.7 IoT Data and Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.8 SDN with MQTT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 Proposed solution to optimize energy consumption in IoT systems 30
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 The proposed energy aware IoT system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 Application and transport layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2 Network layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.3 MAC layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.4 Phisical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4 Energy Aware SDN based MAC Protocol (EASMP) . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.1 States Collection Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.2 Data Transmission Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5 Illustrative example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6 The metrics of evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7 Simulation and Results Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7.1 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Côte titre : MAI/0918
Enhancing energy efficiency in IoT devices for sustainable IoT [texte imprimé] / Djihane Arab, Auteur ; Manar Meskine ; Aissaoui, mohammed, Directeur de thèse . - [S.l.] : Setif:UFA, 2024 . - 1 vol (72 f .) ; 29 cm.
Langues : Anglais (eng)
Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : IoT
Software Defined Networking
TDMA
MQTT
SDN
Wireless communication
LoRaIndex. décimale : 004 - Informatique Résumé :
The Internet of Things (IoT) has grown rapidly, connecting physical objects, devices, and
systems to the Internet for data collection and sharing. This connectivity could transform
sectors such as agriculture by improving efficiency and productivity. However, deploying
IoT components comes with challenges, especially regarding power consumption and endurance.
All this is resolved by integrating two major cutting-edge technologies, Software
Defined Networking (SDN), which ensures a centralized IoT network. Moreover, Message
Queuing Telemetry (MQTT) is a lightweight protocol for message transmission. IoT devices,
in particular, can communicate with each other via Several wireless communication
mechanisms. We use LoRa (Long-Range), which optimizes energy consumption for longrange
communication. Our system is based on the MAC layer. This layer is beneficial
for power-sensitive applications such as agriculture. We use this layer to solve the limitations
of Time Division Multiple Access (TDMA) by dynamically allocating time slots,
improving data accuracy under the SDN controller, and implementing this protocol. In
order to extract satisfactory results to be a reference for others.Note de contenu : Sommaire
List of Figures vii
List of Tables x
General introduction 1
1 State of the art 3
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 The Internet of Things . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Characteristics of the IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 IoT Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 IoT Application domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.4 IoT architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Message Queuing Telemetry Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Publisher/Sender paradigm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.2 The Broker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.3 MQTT Multicast management of quality of service . . . . . . . . . 12
1.3.4 MQTT and IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Software-Defined Networking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.1 Background and Evolution of SDN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.2 SDN Architecture and Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Energy-Efficient Techniques in IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.1 IoT Wireless Communication Technologie . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.2 Energy harvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.3 Data reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.4 Sleep/wakeup technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.5 Energy-efficient routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5.6 Optimization application protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.7 IoT Data and Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.8 SDN with MQTT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 Proposed solution to optimize energy consumption in IoT systems 30
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 The proposed energy aware IoT system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 Application and transport layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2 Network layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.3 MAC layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.4 Phisical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4 Energy Aware SDN based MAC Protocol (EASMP) . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.1 States Collection Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.2 Data Transmission Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5 Illustrative example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6 The metrics of evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7 Simulation and Results Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7.1 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Côte titre : MAI/0918
Exemplaires (1)
Code-barres Cote Support Localisation Section Disponibilité MAI/0918 MAI/0918 Mémoire Bibliothéque des sciences Anglais Disponible
Disponible
Titre : Improving IoT communication quality for more robust systems Type de document : texte imprimé Auteurs : Samah lydia Bahar, Auteur ; Anfel Hefassa ; Aissaoui, mohammed, Directeur de thèse Editeur : Setif:UFA Année de publication : 2024 Importance : 1 vol (72 f .) Format : 29 cm Langues : Anglais (eng) Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : IoT
SDN
TDMA
SDTMP
AgricultureIndex. décimale : 004 - Informatique Résumé :
The Internet of Things (IoT) refers to the interconnection of physical objects equipped
with sensors and software, allowing for collecting and exchanging data found in various
domains, such as healthcare, agriculture, industry, and home automation. This innovation
has revolutionized agriculture by introducing smart technologies that optimize production
and resource management. Farmers can monitor real-time soil conditions, humidity levels,
temperature, and crop growth through connected sensors, enabling precise and efficient
interventions. However, network density and traffic load are considered significant factors
that may negatively affect our system and its infrastructure, as achievable throughputs
in such networks are particularly limited when the number of members and clusters decreases.
It is even considered that the transmission delay from a source to a destination
influences network efficiency by leaving unused time slots empty, without any data to
send. Also, ensuring that the packets arrive is one of the most crucial conditions. Thus,
managing all these metrics and improving communication quality in the IoT is essential to
ensure system reliability and robustness. Historically, this endeavor to address challenges
has led to numerous research studies, mainly focused on improving throughput, reducing
delays and dropped packets. Consequently, thanks to various techniques such as optimizing
communication protocols, using new modulation technologies, and designing smart
mesh networks, IoT connectivity is being strengthened. Integrating dynamic adaptation
algorithms and advanced mechanisms enables IoT systems to withstand challenging environments.
This thesis focuses on one of these protocols, the SDN-based Dynamic TDMA
MAC Protocol (SDTMP), aiming for its real integration into IoT applications.
Our initial work is mainly focused on designing an SDN controller that centralizes the
management and orchestration of our network, offering programmability, flexibility, and
traffic optimization. We also chose the MQTT protocol because of its lightweight and
bandwidth efficiency, making it ideal for reliable, real-time, low-latency communication.
In addition, we opted for LoRa technology, known for its long-range and low energy
consumption.
Therefore, we proposed and implemented this protocol, and simulations showed significant
reductions in delays and lost packets and an increase in throughput compared
with traditional TDMA.Note de contenu :
Sommaire
List of Figures viii
List of Tables xi
General introduction 1
1 State of the art 3
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Internet of Things: Generality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 The evolution of IoT architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 IoT Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 IoT Networks types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 SDN (Software-Defined Networking) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 SDN architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 SDN advantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Message Queuing Telemetry Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.1 Publish/Subscribe Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.2 MQTT Client and Broker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.3 MQTT Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.4 MQTT QoS management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 IoT QoS techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.1 Application and Transport layer techniques . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.2 Network layer techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.3 MAC layer techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.4 Physical layer techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.6 IoT Reliability Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6.1 Packet Delivery Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6.2 Outage probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6.3 Channel busy ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6.4 Packet inter-arrival time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6.5 End-to-end delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6.6 Safety awareness range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.6.7 Signature verification time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 The proposed solution 30
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 The proposed system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 Data center . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.2 Cluster-head . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.3 Node members . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Application and transport Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5 Network layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6 Mac Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6.1 Overview of Time Division Multiple Access (TDMA) . . . . . . . . 34
2.6.2 Limitations of TDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6.3 Objectives of SDN-based Dynamic TDMA MAC Protocol (SDTMP) 35
2.6.4 SDN-based Dynamic TDMA MAC Protocol (SDTMP) . . . . . . 35
2.6.5 Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6.6 SDTMP Steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6.7 Step 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6.8 Step 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.6.9 Step 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.7 Physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.8 Illustrative example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8.1 Application and transport layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8.2 Network layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8.3 Mac layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8.4 Physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.8.5 Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.9 Simulations and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.9.1 Clusters by members . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.9.2 Members by Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Côte titre : MAI/0915
Improving IoT communication quality for more robust systems [texte imprimé] / Samah lydia Bahar, Auteur ; Anfel Hefassa ; Aissaoui, mohammed, Directeur de thèse . - [S.l.] : Setif:UFA, 2024 . - 1 vol (72 f .) ; 29 cm.
Langues : Anglais (eng)
Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : IoT
SDN
TDMA
SDTMP
AgricultureIndex. décimale : 004 - Informatique Résumé :
The Internet of Things (IoT) refers to the interconnection of physical objects equipped
with sensors and software, allowing for collecting and exchanging data found in various
domains, such as healthcare, agriculture, industry, and home automation. This innovation
has revolutionized agriculture by introducing smart technologies that optimize production
and resource management. Farmers can monitor real-time soil conditions, humidity levels,
temperature, and crop growth through connected sensors, enabling precise and efficient
interventions. However, network density and traffic load are considered significant factors
that may negatively affect our system and its infrastructure, as achievable throughputs
in such networks are particularly limited when the number of members and clusters decreases.
It is even considered that the transmission delay from a source to a destination
influences network efficiency by leaving unused time slots empty, without any data to
send. Also, ensuring that the packets arrive is one of the most crucial conditions. Thus,
managing all these metrics and improving communication quality in the IoT is essential to
ensure system reliability and robustness. Historically, this endeavor to address challenges
has led to numerous research studies, mainly focused on improving throughput, reducing
delays and dropped packets. Consequently, thanks to various techniques such as optimizing
communication protocols, using new modulation technologies, and designing smart
mesh networks, IoT connectivity is being strengthened. Integrating dynamic adaptation
algorithms and advanced mechanisms enables IoT systems to withstand challenging environments.
This thesis focuses on one of these protocols, the SDN-based Dynamic TDMA
MAC Protocol (SDTMP), aiming for its real integration into IoT applications.
Our initial work is mainly focused on designing an SDN controller that centralizes the
management and orchestration of our network, offering programmability, flexibility, and
traffic optimization. We also chose the MQTT protocol because of its lightweight and
bandwidth efficiency, making it ideal for reliable, real-time, low-latency communication.
In addition, we opted for LoRa technology, known for its long-range and low energy
consumption.
Therefore, we proposed and implemented this protocol, and simulations showed significant
reductions in delays and lost packets and an increase in throughput compared
with traditional TDMA.Note de contenu :
Sommaire
List of Figures viii
List of Tables xi
General introduction 1
1 State of the art 3
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Internet of Things: Generality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 The evolution of IoT architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 IoT Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 IoT Networks types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 SDN (Software-Defined Networking) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 SDN architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 SDN advantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Message Queuing Telemetry Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.1 Publish/Subscribe Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.2 MQTT Client and Broker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.3 MQTT Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.4 MQTT QoS management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 IoT QoS techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.1 Application and Transport layer techniques . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.2 Network layer techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.3 MAC layer techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.4 Physical layer techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.6 IoT Reliability Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6.1 Packet Delivery Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6.2 Outage probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6.3 Channel busy ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6.4 Packet inter-arrival time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6.5 End-to-end delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6.6 Safety awareness range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.6.7 Signature verification time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 The proposed solution 30
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 The proposed system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 Data center . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.2 Cluster-head . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.3 Node members . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Application and transport Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5 Network layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6 Mac Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6.1 Overview of Time Division Multiple Access (TDMA) . . . . . . . . 34
2.6.2 Limitations of TDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6.3 Objectives of SDN-based Dynamic TDMA MAC Protocol (SDTMP) 35
2.6.4 SDN-based Dynamic TDMA MAC Protocol (SDTMP) . . . . . . 35
2.6.5 Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6.6 SDTMP Steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6.7 Step 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6.8 Step 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.6.9 Step 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.7 Physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.8 Illustrative example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8.1 Application and transport layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8.2 Network layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8.3 Mac layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8.4 Physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.8.5 Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.9 Simulations and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.9.1 Clusters by members . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.9.2 Members by Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Côte titre : MAI/0915
Exemplaires (1)
Code-barres Cote Support Localisation Section Disponibilité MAI/0915 MAI/0915 Mémoire Bibliothéque des sciences Anglais Disponible
Disponible
