Localized Broadcast Protocols and Energy Efficiency in Ad Hoc and Sensor Networks
Protocoles localisés de diffusion et économie d'énergie dans les réseaux ad hoc et de capteurs
Résumé
A wireless ad hoc network is composed of a decentralized set of mobile and self-organized hosts. Such a network does not rely on any infrastructure, and is thus completely autonomous and dynamic. Based on these concepts, any set of objects equipped with appropriate communication interfaces may spontaneously form such a network. As wireless communications are used, only closest hosts may directly communicate with each other. Long distance communications must be done through a multi-hopping mechanism: this simply means that intermediate objects have to forward the packets until the destination is reached.
Wireless sensor networks are similar to ad hoc networks, as they are also decentralized and autonomous. A sensor is a small device with monitoring capabilities, allowing it to gather information on its environment. For instance, typical use case of sensor networks may be the monitoring of military areas (movements detection) or forests (heat detection).
Among the common problems studied in these networks is broadcasting. In such communication, a message is sent from a given host to all the other ones in the network. Applications of this process are numerous: route discovery, synchronization\ldots{} As mobile objects rely on a battery, it is mandatory for the broadcast protocol to be energy efficient. This is generally done by reducing the quantity of needed relaying nodes, or by limiting the transmission power at each host. Of course, all these optimizations must preserve the reliability of the protocol.
The goal of my work was to study broadcasting in ad hoc and sensor networks, in order to highlight the characteristics and the flaws of existing mechanisms, and to propose new efficient protocols. In all our proposals, we always tried to provide realistic solutions: a lot of previous studies was based on centralized mechanisms, where a global knowledge was needed to perform the broadcasting process. We focused on reliable and localized solutions, using only close information on the neighborhood of each node. This kind of solution is also more scalable, as the quantity of needed information does not grow with the size of the network. Some of our studies, especially in \cite{2005-medhoc}, show that these solutions may be as efficient as centralized ones.
As power adjustment is a a mechanism of prime importance for energy preservation, we proposed in \cite{2006-tpds, 2004-medhoc, 2004-icc} an original broadcasting method based on the concept of optimal communication range. The latter is theoretically computed thanks to the considered energy model, and is the best compromise between the spent energy at each node and the quantity of relays. We thus proposed two different protocols based on this concept, each of them being specifically targeted either at ad hoc (TR-LBOP) or sensor networks (TR-DS).
To further reduce energy savings, we studied a well-known centralized and very efficient protocol named BIP. Its efficiency is due to its consideration of the coverage obtained thanks to a single omnidirectional transmission, instead of considering all links separately. We proposed in \cite{2007-winet, 2005-iscc} a localized solution based on BIP, in order to incrementally construct a broadcasting structure. We experimentally showed that results are very close to those provided by BIP, especially in highest densities, while only local information is needed at each node.
We finally considered the removal of a strong hypothesis, broadly spread in the ad hoc and sensor networks community, referred to as the unit disk graph. The latter defines the communication area of each device to be a perfect circle. In \cite{2006-msn}, we replaced this hypothesis by a more realistic one in order to study a well-known broadcasting mechanism, the multipoint relay protocol (MPR). We showed that MPR does not provide anymore sufficient performance in such a realistic environnement. We also proposed efficient modifications in order to get back efficient results.
Wireless sensor networks are similar to ad hoc networks, as they are also decentralized and autonomous. A sensor is a small device with monitoring capabilities, allowing it to gather information on its environment. For instance, typical use case of sensor networks may be the monitoring of military areas (movements detection) or forests (heat detection).
Among the common problems studied in these networks is broadcasting. In such communication, a message is sent from a given host to all the other ones in the network. Applications of this process are numerous: route discovery, synchronization\ldots{} As mobile objects rely on a battery, it is mandatory for the broadcast protocol to be energy efficient. This is generally done by reducing the quantity of needed relaying nodes, or by limiting the transmission power at each host. Of course, all these optimizations must preserve the reliability of the protocol.
The goal of my work was to study broadcasting in ad hoc and sensor networks, in order to highlight the characteristics and the flaws of existing mechanisms, and to propose new efficient protocols. In all our proposals, we always tried to provide realistic solutions: a lot of previous studies was based on centralized mechanisms, where a global knowledge was needed to perform the broadcasting process. We focused on reliable and localized solutions, using only close information on the neighborhood of each node. This kind of solution is also more scalable, as the quantity of needed information does not grow with the size of the network. Some of our studies, especially in \cite{2005-medhoc}, show that these solutions may be as efficient as centralized ones.
As power adjustment is a a mechanism of prime importance for energy preservation, we proposed in \cite{2006-tpds, 2004-medhoc, 2004-icc} an original broadcasting method based on the concept of optimal communication range. The latter is theoretically computed thanks to the considered energy model, and is the best compromise between the spent energy at each node and the quantity of relays. We thus proposed two different protocols based on this concept, each of them being specifically targeted either at ad hoc (TR-LBOP) or sensor networks (TR-DS).
To further reduce energy savings, we studied a well-known centralized and very efficient protocol named BIP. Its efficiency is due to its consideration of the coverage obtained thanks to a single omnidirectional transmission, instead of considering all links separately. We proposed in \cite{2007-winet, 2005-iscc} a localized solution based on BIP, in order to incrementally construct a broadcasting structure. We experimentally showed that results are very close to those provided by BIP, especially in highest densities, while only local information is needed at each node.
We finally considered the removal of a strong hypothesis, broadly spread in the ad hoc and sensor networks community, referred to as the unit disk graph. The latter defines the communication area of each device to be a perfect circle. In \cite{2006-msn}, we replaced this hypothesis by a more realistic one in order to study a well-known broadcasting mechanism, the multipoint relay protocol (MPR). We showed that MPR does not provide anymore sufficient performance in such a realistic environnement. We also proposed efficient modifications in order to get back efficient results.
Un réseau ad hoc sans fil est composé d'un ensemble décentralisé d'objets mobiles et auto-organisés. Un tel réseau ne repose sur aucune infrastructure, et est donc complètement autonome et dynamique. Selon ces hypothèses, tout ensemble d'objets équipés d'interfaces de communication adéquates peut spontanément former un tel réseau. Puisque des communications sans fil sont utilisées, seuls les objets suffisamment proches les uns des autres peuvent communiquer ensemble. Les communications de longue portée doivent donc être effectuées via un mécanisme multi-sauts : cela veut simplement dire que les objets intermédiaires doivent faire suivre les messages jusqu'au destinataire.
Les réseaux de capteurs sont similaires aux réseaux ad hoc, car ils sont également décentralisés et autonomes. Un capteur est un petit appareil capable de surveiller son environnement. Des cas typiques d'utilisation peuvent être la surveillance de zones militaires (détection de mouvements) ou de forêts (détection d'incendie).
Parmi les problèmes communs à ces deux types de réseaux se trouve la diffusion. Dans une telle communication, un message est envoyé depuis un objet donné vers tous les autres du réseau. Les applications de ce processus sont nombreuses : découverte de routes, synchronisation... Comme les objets mobiles utilisent une batterie, il est nécessaire que la diffusion soit la plus économe possible d'un point de vue énergétique. Cela est généralement obtenu en réduisant la quantité de relais nécessaires, ou en limitant la puissance d'émission à chaque relais.
Le but de mon travail était d'étudier la diffusion dans les réseaux ad hoc et de capteurs, afin de mettre en lumière les caractéristiques et les défauts des mécanismes existants, puis d'en proposer de nouveaux, plus efficaces. Dans tous ces travaux, nous avons toujours voulu rester dans le domaine des solutions 'réalistes' : beaucoup des précédentes études utilisaient en effet des mécanismes centralisés, où une connaissance globale du réseau est nécessaire pour effectuer la diffusion. Nous nous sommes concentrés sur des solutions fiables et localisés, c'est-à-dire n'utilisant que des informations sur le voisinage de chaque noeud. Ce type de mécanisme permet également un passage à l'échelle simplifié, car la quantité d'informations nécessaire ne varie pas avec la taille du réseau. Nos études montrent de plus que ces solutions peuvent être aussi efficaces que les méthodes centralisées.
Puisque l'ajustement de portée est un mécanisme très important dans la conservation de l'énergie, nous avons proposé une méthode de diffusion originale, basée sur le concept de portée optimale de communication. Cette dernière est calculée de manière théorique grâce au modèle énergétique considéré, et représente le meilleur compromis entre l'énergie dépensée à chaque noeud et le nombre de relais nécessaires. Nous avons ainsi proposé deux protocoles différents basés sur ce concept, chacun étant plus spécifiquement adapté soit aux réseaux ad hoc (TR-LBOP), soit aux réseaux de capteurs (TR-DS).
Afin de réduire encore plus la consommation énergétique, nous avons étudié le fameux protocole centralisé nommé BIP. Son efficacité est due au fait qu'il considère la couverture obtenue par une seule émission omnidirectionnelle, au lieu de considérer chaque lien séparément. Nous avons proposé une solution localisée basée sur BIP, afin de construire incrémentalement une structure de diffusion. Nous avons montré de manière expérimentale que les résultats ainsi obtenus sont très proches de ceux fournis par BIP, notamment dans les réseaux de forte densité, tout en n'utilisant que des informations locales à chaque noeud.
Nous avons finalement considéré la suppression d'une hypothèse forte, largement répandue dans la communauté des réseaux ad hoc et de capteurs : l'utilisation d'un graphe du disque unitaire. Ce dernier définit la zone de communication d'un noeud comme étant un cercle parfait. Nous avons remplacé cette hypothèse par une autre plus réaliste afin d'en étudier les conséquences sur un protocole connu, le protocole de diffusion par relais multipoints (MPR). Nous avons montré que ce dernier ne fournit plus de résultats suffisants dans un tel environnement. Nous avons également proposé quelques modifications afin d'obtenir à nouveau de bons résultats.
Les réseaux de capteurs sont similaires aux réseaux ad hoc, car ils sont également décentralisés et autonomes. Un capteur est un petit appareil capable de surveiller son environnement. Des cas typiques d'utilisation peuvent être la surveillance de zones militaires (détection de mouvements) ou de forêts (détection d'incendie).
Parmi les problèmes communs à ces deux types de réseaux se trouve la diffusion. Dans une telle communication, un message est envoyé depuis un objet donné vers tous les autres du réseau. Les applications de ce processus sont nombreuses : découverte de routes, synchronisation... Comme les objets mobiles utilisent une batterie, il est nécessaire que la diffusion soit la plus économe possible d'un point de vue énergétique. Cela est généralement obtenu en réduisant la quantité de relais nécessaires, ou en limitant la puissance d'émission à chaque relais.
Le but de mon travail était d'étudier la diffusion dans les réseaux ad hoc et de capteurs, afin de mettre en lumière les caractéristiques et les défauts des mécanismes existants, puis d'en proposer de nouveaux, plus efficaces. Dans tous ces travaux, nous avons toujours voulu rester dans le domaine des solutions 'réalistes' : beaucoup des précédentes études utilisaient en effet des mécanismes centralisés, où une connaissance globale du réseau est nécessaire pour effectuer la diffusion. Nous nous sommes concentrés sur des solutions fiables et localisés, c'est-à-dire n'utilisant que des informations sur le voisinage de chaque noeud. Ce type de mécanisme permet également un passage à l'échelle simplifié, car la quantité d'informations nécessaire ne varie pas avec la taille du réseau. Nos études montrent de plus que ces solutions peuvent être aussi efficaces que les méthodes centralisées.
Puisque l'ajustement de portée est un mécanisme très important dans la conservation de l'énergie, nous avons proposé une méthode de diffusion originale, basée sur le concept de portée optimale de communication. Cette dernière est calculée de manière théorique grâce au modèle énergétique considéré, et représente le meilleur compromis entre l'énergie dépensée à chaque noeud et le nombre de relais nécessaires. Nous avons ainsi proposé deux protocoles différents basés sur ce concept, chacun étant plus spécifiquement adapté soit aux réseaux ad hoc (TR-LBOP), soit aux réseaux de capteurs (TR-DS).
Afin de réduire encore plus la consommation énergétique, nous avons étudié le fameux protocole centralisé nommé BIP. Son efficacité est due au fait qu'il considère la couverture obtenue par une seule émission omnidirectionnelle, au lieu de considérer chaque lien séparément. Nous avons proposé une solution localisée basée sur BIP, afin de construire incrémentalement une structure de diffusion. Nous avons montré de manière expérimentale que les résultats ainsi obtenus sont très proches de ceux fournis par BIP, notamment dans les réseaux de forte densité, tout en n'utilisant que des informations locales à chaque noeud.
Nous avons finalement considéré la suppression d'une hypothèse forte, largement répandue dans la communauté des réseaux ad hoc et de capteurs : l'utilisation d'un graphe du disque unitaire. Ce dernier définit la zone de communication d'un noeud comme étant un cercle parfait. Nous avons remplacé cette hypothèse par une autre plus réaliste afin d'en étudier les conséquences sur un protocole connu, le protocole de diffusion par relais multipoints (MPR). Nous avons montré que ce dernier ne fournit plus de résultats suffisants dans un tel environnement. Nous avons également proposé quelques modifications afin d'obtenir à nouveau de bons résultats.