Andreina Liendo - Etude des mécanismes d'adaptation des noeuds de capteurs sans fil dans le contexte de très faible consommation d'énergie

L'Internet des objets (IoT) est annoncé comme la prochaine grande révolution technologique où des milliards d'appareils s'interconnecteront en utilisant les technologies d’Internet et permettront aux utilisateurs d'interagir avec le monde physique, permettant Smart Home, Smart Cities, tout intelligent. Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) sont cruciales pour tourner la vision de l'IoT dans une réalité, mais pour que cela devienne réalité, beaucoup de ces dispositifs doivent être autonomes en énergie. Par conséquent, un défi majeur est de fournir une durée de vie de plusieurs années tout en alimentant les nœuds par batteries ou en utilisant l'énergie récoltée. Bluetooth Low Energy (BLE) a montré une efficacité énergétique et une robustesse supérieures à celles d'autres protocoles WSN bien connus, ce qui fait BLE un candidat solide pour la mise en œuvre dans des scénarios IoT. En outre, BLE est présent dans presque tous les smartphones, ce qui en fait une télécommande universelle omniprésente pour les maisons intelligentes, les bâtiments ou les villes. Néanmoins, l'amélioration de la performance BLE pour les cas typiques d'utilisation de l'IoT, où la durée de vie de la batterie de nombreuses années, est toujours nécessaire.

Dans ce travail, nous avons évalué les performances de BLE en termes de latence et de consommation d'énergie sur la base de modèles analytiques afin d'optimiser ses performances et d'obtenir son niveau maximal d'efficacité énergétique sans modification de la spécification en premier lieu. À cette fin, nous avons proposé une classification des scénarios ainsi que des modes de fonctionnement pour chaque scénario. L'efficacité énergétique est atteinte pour chaque mode de fonctionnement en optimisant les paramètres qui sont affectés aux nœuds BLE pendant la phase de découverte du voisin. Cette optimisation des paramètres a été réalisée à partir d'un modèle énergétique extrait de l'état de la technique. Le modèle, à son tour, a été optimisé pour obtenir une latence et une consommation d'énergie quel que soit le comportement des nœuds à différents niveaux: application et communication. Puisqu'un nœud peut être le périphérique central à un niveau, alors qu'il peut être le périphérique à l'autre niveau en même temps, ce qui affecte la performance finale des nœuds.

En outre, un nouveau modèle d'estimation de la durée de vie de la batterie a été présenté pour montrer l'impact réel de l'optimisation de la consommation énergétique sur la durée de vie des nœuds, de façon rapide (en termes de temps de simulation) et réaliste (en tenant compte des données empiriques). Les résultats de performance ont été obtenus dans notre simulateur Matlab basé sur le paradigme OOP, à travers l'utilisation de plusieurs cas de test IoT. En outre, le modèle de latence utilisé pour notre étude a été validé expérimentalement ainsi que l'optimisation des paramètres proposée, montrant une grande précision.

Après avoir obtenu les meilleures performances possibles de BLE sans modification de la spécification, nous avons évalué les performances du protocole en implémentant le concept de Wake-Up radio (WuR), qui est un récepteur d’ultra-faible consommation et qui est en charge de détecter le canal de communication, en attente d'un signal adressé au nœud, puis réveiller la radio principale. Ainsi, la radio principale, qui consomme beaucoup plus d'énergie, peut rester en mode veille pendant de longues périodes et passer en mode actif uniquement pour la réception de paquets, économisant ainsi une quantité d'énergie considérable. Nous avons démontré que la durée de vie de BLE peut être significativement augmentée en implémentant une WuR et nous proposons une modification du protocole afin de rendre ce protocole compatible avec un mode de fonctionnement qui inclut une WuR. Pour cela, nous avons étudié l'état de l'art de la WuR et évalué la durée de vie des périphériques BLE lorsqu'une WuR sélectionnée est implémentée du côté master.