Titre : Systèmes de diversité à trois branches pour les réseaux IoT multi-sauts
Date : 4 mai 2022 à 19h30
Jury :
- Jeff Frolik, Ph.D., Université du Vermont, États-Unis, Directeur de thèse
- Abderrahim Benslimane, Ph.D., Université d’Avignon, France, Co-directeur de thèse
- Safwan Wshah, Ph.D., Université du Vermont, États-Unis
- Tian Xia, Ph.D., Université du Vermont, États-Unis
- Laurent Hébert-Dufresne, Ph.D., Président, Université du Vermont, États-Unis
- Cynthia Forehand, Ph.D., Doyenne de l’École des cycles supérieurs, Université du Vermont, États-Unis
Résumé : L’Internet des objets (IoT) est un paradigme technologique émergent qui connecte de nombreux objets intelligents pour des applications avancées allant de l’automatisation domestique au contrôle industriel en passant par les soins de santé.
Le développement rapide des technologies sans fil et des appareils embarqués miniatures a permis la mise en œuvre de systèmes IoT pour de telles applications, déployées dans divers environnements. L’un des facteurs limitant les performances des appareils IoT est le fading multipath causé par les réflecteurs et les atténuateurs présents dans l’environnement où ces appareils sont déployés. Exploiter la diversité de polarisation est une technique bien connue pour atténuer les atténuations du signal et les effets de dépolarisation causés par les chemins multiples. Cependant, ni la validation expérimentale des performances d’une antenne à diversité de polarisation avec plus de deux branches ni la puissance des techniques de sélection d’antennes existantes sur de telles antennes dans des scénarios pratiques n’ont reçu beaucoup d’attention. Les objectifs de cette thèse sont triples. Premièrement, démontrer l’efficacité d’une antenne tripolaire, spécifiquement conçue pour les appareils IoT, dans des environnements hostiles par le biais de simulations et de données expérimentales. Deuxièmement, développer des stratégies de sélection d’antennes pour utiliser les signaux polarisés reçus par l’antenne, en tenant compte des restrictions imposées par les limitations de ressources des appareils IoT. Enfin, réaliser des analyses comparatives sur les techniques de diversité standard existantes et les approches proposées, en conjonction avec des données expérimentales.
En conséquence, cette thèse présente les résultats de tests d’une antenne tripolaire intégrée à des appareils IoT basés sur Arduino déployés dans des environnements susceptibles d’être rencontrés par les appareils IoT dans des applications réelles. Les résultats, à la fois des simulations et des expériences de liaisons sans fil ponctuelles, démontrent l’avantage de l’utilisation d’antennes tripolaires dans des conditions de propagation difficiles par rapport à une antenne à une seule branche. Motivés par ces résultats empiriques, nous avons déployé un réseau IoT à petite échelle avec des nœuds basés sur des antennes tripolaires pour analyser l’impact de l’antenne tripolaire sur les performances des nœuds voisins ainsi que pour étudier les performances du réseau de bout en bout. Notre travail montre que la sélection des branches d’antenne, en tenant compte de l’architecture du réseau et du niveau de congestion sur les nœuds répéteurs, minimise les commutations excessives d’antenne et la consommation d’énergie.
Des résultats similaires sont obtenus pour les réseaux IoT avec des protocoles de routage prédéfinis et dynamiques, où les techniques proposées ont entraîné une consommation d’énergie plus faible que les schémas de diversité conventionnels. De plus, une approche probabiliste à faible complexité de sélection d’antennes basée sur le modèle de Markov caché est proposée et mise en œuvre sur des nœuds capteurs sans fil afin de réduire la consommation d’énergie et d’améliorer le gain de diversité. Enfin, le travail présente une technique basée sur un double saut où un nœud sélectionne l’élément d’antenne pour des performances optimales en fonction de l’état de configuration de l’antenne de ses voisins de réseau immédiats lors de la sélection. Les performances de la technique proposée, vérifiées par simulation et données mesurées, soulignent l’importance de prendre en compte les évaluations à l’échelle du réseau des techniques de sélection d’antennes.