A Location Routing Protocol Based on Smart Antennas for Wireless Sensor Networks

RESUME Les reseaux de capteurs sans fil sont une technologie emergente pour la surveillance de l’environnement. Un reseau de capteurs typique se compose d'un grand nombre de capteurs miniatures (noeuds) multifonctionnels, a faible cout et a faible consommation d’energie, equipes d’un radio emetteur-recepteur et d’un ensemble de transducteurs pour recolter et transmettre des donnees environnementales d'une maniere autonome. Une des contraintes les plus importantes de capteurs est la necessitee d’economiser de l’energie puisqu’ils utilisent des batteries de dure limitee, generalement irremplacables. En outre, ils se caracterisent egalement par une faible vitesse de traitement, capacite de stockage et de bande passante, qui necessite une gestion des ressources tres attentive. En raison des limitations et caracteristiques inherentes aux capteurs, le routage dans les reseaux de capteurs sans fil suppose un vrai defi. La tâche de trouver et de maintenir des routes n'est pas triviale etant donne les restrictions d'energie et les changements soudains dans l'etat des noeuds (exemple: mal-fonctionnement) qui entrainent des changements frequents et imprevisibles dans la structure topologique. Ce travail presente LBRA, un nouveau protocole de routage geolocalise qui utilise des antennes intelligentes pour estimer les positions des noeuds dans le reseau, et qui base les decisions de routage sur l’etat de connexion des voisins et leur position relative. L'objectif principal de LBRA est d'eliminer le trafic de controle du reseau autant que possible. Pour atteindre cet objectif, l'algorithme emploie la position locale pour prendre des decisions de routage, met en oeuvre un nouveau mecanisme pour recueillir les informations de localisation et utilise seulement les noeuds impliques dans la route pour faire la synchronisation des donnees de positionnement. De plus, le protocole considere le niveau de la batterie au moment de prendre des decisions de routage afin de balancer la depense d’energie du reseau. LBRA est une version amelioree du routage de ZigBee (norme actuelle pour les reseaux a faible cout et a faible consommation d’energie) qui se base, lui aussi, sur AODV. Afin d'evaluer dans quelle mesure LBRA represente vraiment une amelioration par rapport au routage de ZigBee, une serie de simulations a ete effectue a l'aide du logiciel Network Simulator (ns). Les deux protocoles ont ete implantes dans le simulateur. Les performances ont ete comparees dans une variete de scenarios, dans des conditions differentes tels que les charges de trafic, les tailles de reseau et les conditions de mobilite. Les resultats des experiences ont montre que LBRA reussi a reduire le trafic de controle et la charge de routage, tout en ameliorant le taux de livraison des paquets, a la fois pour les reseaux fixes et les reseaux mobiles. L'abaissement de l'alimentation du reseau est aussi plus equilibre, puisque les decisions de routage sont prises en fonction du niveau de la batterie des noeuds. ----------ABSTRACT Wireless sensor networks are an emerging technology for environmental monitoring. A typical sensor network is composed of a large number of low-cost, low-power, multi-functional miniature sensor devices (nodes) equipped with a radio transceiver and a set of transducers utilized to acquire information about the surrounding environment. One of the most important constraints of sensor nodes is the low power consumption requirement since they carry limited, generally irreplaceable, batteries. In addition, they are also characterized by scarce processing speed, storage capacity and communication bandwidth, thus requiring careful resource management. Due to the inherent characteristics and restrictions of sensor nodes, routing in WSNs is very challenging. The task of finding and maintaining routes is nontrivial since energy restrictions and sudden changes in node status (e.g. failure) cause frequent and unpredictable topological changes. This work introduces a novel location routing protocol that uses smart antennas to estimate nodes positions into the network and to deliver information basing routing decisions on neighbour’s status connection and relative position, named LBRA. The main purpose of LBRA is to eliminate network control overhead as much as possible. To achieve this goal, the algorithm employs local position for route decision, implements a novel mechanism to collect the location information and involves only route participants in the synchronization of location information. In addition, the protocol uses node battery information to make power aware routing decisions. LBRA is an enhanced version of the ZigBee routing, which is the current standard for reliable, cost-effective and low power wireless networking, and like the latter is prototyped from AODV. In order to asses to what extent LBRA truly represents an improvement with respect to the ZigBee routing, a series of simulations were designed with the help of the Network Simulator (ns). Basically, both protocols were implemented in the simulator and its performance was compared in a variety of traffic load, network size and mobility conditions. The experiment results showed that LBRA succeed in reducing the control overhead and the routing load, improving the packet delivery rate for both static and mobile networks. Additionally, network power depletion is more balanced, since routing decisions are made depending on nodes’ battery level.