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Cédric Chauvenet

Protocoles de support IPv6 pour réseaux de capteurs sur courant porteur en ligne

PhD, October 2013

Thursday 10 October 2013

Cette thèse démontre la pertinence de l’utilisation du Courant Porteur en Ligne (CPL) pour des applications de réseaux de capteurs. Utilisant le réseau électrique comme support de communication, cette technologie reste peu utilisée par rapport à des technologies radio telles que Wifi pour les réseaux domestiques ou le standard IEEE 802.15.4 pour les réseaux de capteurs sans fil. Nous nous concentrons en particulier sur la technologie WPC développée par la société Watteco, qui a la particularité d’être une technologie CPL basse consommation et bas débit. Nous montrons que cette technologie présente des contraintes similaires aux solutions radio telles que 802.15.4 et que son utilisation est justifiée pour des applications de réseaux de capteurs. Nous situons le CPL par rapport à l’état de l’art des réseaux de capteurs et déterminons les protocoles compatibles. Nous présentons ensuite en détail le CPL, afin d’expliquer son principe, les différents types de CPL existant, les régulations en vigueurs, les avantages et inconvénients de ces solutions et nous expliquons comment la solution WPC se situe dans le paysage du CPL. Nous décrivons ensuite l’implémentation du module WPC et du média CPL dans le simulateur de réseau COOJA, permettant de réaliser l’étude d’un réseau de capteur sur CPL dans un environnement maîtrisé. Ce cadre nous permet de proposer une solution réseau sur cette technologie, reposant sur l’adaptation du standard 802.15.4 sur la technologie WPC. Nous démontrons ensuite l’intérêt de la convergence des médias au niveau réseau par l’utilisation du standard IPv6, que nous adaptons sur notre solution CPL grâce au protocole 6LoWPAN. Nous justifions l’utilisation des protocoles standards pour les réseaux contraints développés par l’IETF sur notre solution CPL. En particulier, nous montrons que la technologie WPC ne permet pas de joindre tous les points d’un bâtiment par un lien direct, et donc qu’une solution de routage doit être développée pour permettre de couvrir un bâtiment dans son ensemble. Nous montrons par des expérimentations que notre solution CPL correspond aux critères des réseaux basse puissance et non fiables (LLNs) pour lesquels le protocole standard RPL a été conçu. Nous justifions l’utilisation de ce protocole de routage sur notre solution CPL, et validons son implémentation dans le cadre de 2 expérimentations menées dans des bâtiments de type tertiaires. Formées respectivement de 7 puis 26 noeuds CPL, les résultats montrent que le routage créé par RPL permet de couvrir un étage d’un bâtiment tertiaire avec une topologie de type arbre d’une profondeur de 3 sauts maximum. Nous montrons également que la technologie WPC permet une connectivité importante entre les noeuds du réseau et que la qualité des liens est fortement dynamique, mais que le routage permet de s’adapter à ces variations. Nous pointons également les limites de notre solution CPL qui présente des délais importants et des débits faibles, générant des contraintes fortes sur les applications. Notre solution de réseau de capteur sur CPL repose sur le standard IP, permettant des échanges de paquets avec d’autres technologies utilisant ce même protocole. En particulier, nous étudions la possibilité de créer des réseaux hétérogènes mélangeant la technologie WPC et radio 802.15.4. Nous montrons que notre pile protocolaire utilisée sur CPL permet la création de ce type de réseau, afin de profiter du meilleur des 2 mondes. Nous décrivons ainsi l’architecture d’un noeud hybride RF/CPL permettant de faire transiter les paquet entre ces 2 médias. Nous montrons ensuite que l’utilisation combinée de ces 2 médias augmente le nombre de chemins disponibles et permet de faciliter le routage, en diminuant le nombre de sauts et le risque que certains noeuds du réseau soient inaccessibles. Nous démontrons ensuite que l’injection de noeuds CPL et RF/CPL dans un réseau formé de noeuds RF sur batterie permet de les délester de leurs charge de routage afin de prolonger leur durée de vie. Nous continuons ensuite l’étude énergétique par une optimisation de la consommation d’une plateforme de réseau de capteurs radio dont nous réalisons l’étude des parties matérielles et logicielles. Nous déterminons d’abord la fréquence de fonctionnement, la fréquence de réveil et le mode de fonctionnement du micro contrôleur offrant les consommations les plus faibles. Puis nous réalisons l’étude énergétique de 4 modules radio différents utilisant les bandes de fréquences 2.4 GHz et 868 MHz, afin de déterminer l’architecture la plus efficace. Nous déterminons ensuite les paramètres des protocoles et les optimisations logicielles permettant de tirer au mieux partie de cette architecture. Enfin, nous réalisons l’étude énergétique de la sonde embarquée sur le noeud suivant son type et son mode de fonctionnement. Notre architecture finale présente une consommation totale inférieure à 17 μW, avec une remontée de donnée applicative toutes les 10 minutes et un maintient de la connexion au réseau. Nous mentionnons également dans les annexes nos implications dans les organismes de standardisation et notamment l’IETF et l’alliance IPSO, qui ont permit de valider l’implémentation de notre solution lors d’évènements d’intéropérabilités.


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