FACULTEDESSCIENCES&TECHNIQUESCENTREDERECHERCHEENAUTOMATIQUEDENANCYCNRSUMR7039U.F.R.:SciencesetTechniquesMathematiques,InformatiqueetAutomatiqueEcoleDoctorale:IAEMLorraineDepartementdeFormationDoctorale:AutomatiqueTh`esepresenteepourlobtentiondutitredeDocteurdelUniversiteHenriPoincare,Nancy1enSciences,specialiteAutomatique,TraitementduSignaletGenieInformatiquepar CristianDuran-FaundezTransmissiondimagessurlesreseauxdecapteurssansl souslacontraintedelenergieSoutenuepubliquementle 23juin2009Membresdujury:Rapporteurs: ProfesseurChristineFernandez-Maloigne UniversitedePoitiers-Xlim-SICProfesseurDavidSimplot-Ryl UniversiteLille1-INRIAFutursExaminateurs: ProfesseurChristopheChassot INSAdeToulouse-LAASDocteurJean-MarieMoureaux UniversiteHenriPoincareNancy1,CRANDirecteursdeth`ese: ProfesseurFrancisLepage UniversiteHenriPoincareNancy1,CRANDocteurVincentLecuire UniversiteHenriPoincareNancy1,CRANUniversiteHenriPoincare,CentredeRechercheenAutomatiquedeNancyFacultedesSciences,B.P.70239,54506Vanduvrel`esNancytel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009FACULTEDESSCIENCES&TECHNIQUESCENTREDERECHERCHEENAUTOMATIQUEDENANCYCNRSUMR7039U.F.R.:SciencesetTechniquesMathematiques,InformatiqueetAutomatiqueEcoleDoctorale:IAEMLorraineDepartementdeFormationDoctorale:AutomatiqueTh`esepresenteepourlobtentiondutitredeDocteurdelUniversiteHenriPoincare,Nancy1enSciences,specialiteAutomatique,TraitementduSignaletGenieInformatiquepar CristianDuran-FaundezTransmissiondimagessurlesreseauxdecapteurssansl souslacontraintedelenergieSoutenuepubliquementle 23juin2009Membresdujury:Rapporteurs: ProfesseurChristineFernandez-Maloigne UniversitedePoitiers-Xlim-SICProfesseurDavidSimplot-Ryl UniversiteLille1-INRIAFutursExaminateurs: ProfesseurChristopheChassot INSAdeToulouse-LAASDocteurJean-MarieMoureaux UniversiteHenriPoincareNancy1,CRANDirecteursdeth`ese: ProfesseurFrancisLepage UniversiteHenriPoincareNancy1,CRANDocteurVincentLecuire UniversiteHenriPoincareNancy1,CRANUniversiteHenriPoincare,CentredeRechercheenAutomatiquedeNancyFacultedesSciences,B.P.70239,54506Vanduvrel`esNancytel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009RemerciementsMes remerciements les plus sinc`eres sadressent enpremier lieu`ames directeurs deth`eseFrancisLepageetVincentLecuire,quimontacueilliauseindulaboratoireetquimontaccordeleurconanced`esmonarrivee. EnparticulierjevoudraisremercierVincent, enqui jai trouveplusquunencadrant,un ami. Avec lui jai appris et vecu beaucoup de choses pas seulement au niveau professionnel, mais aussiauniveaupersonnel. Toutcequi estecritdanscetteth`ese, entreautreschoses, estleresultatdesonengagement, desondevouement, etdesapassionpourlarecherche(sanscompteruneinniepatienceenversmoi).`Alui,monadmirationetmesremerciementslesplusprofonds.Sansdoutequedenombreuxfacteursontuneincidencesurlesucc`es,laqualiteetlesresultatsduneth`ese. Lath`esenestpasfaiteseulemententreundoctorantetsesencadrants. Lesmultiplesreunionsdequipe, les discussions qui se gen`erent et les relations amicales qui naissent avec les personnes quitravaillantdanslelaboratoire, jouentunr oletoutaussi fondamental. Jeremercieparticuli`erementlesmatresdeconferencesNicolasKrommenacker,Jean-PhilippeGeorgesetleProfesseurJean-MarieMou-reaux, etbiens ur`amescoll`egueslesfutursdocteursNicolas, Idriss, Pierre, Carlos, Andres, ettouslesautres,quimonttoujoursaideetsoutenu.Jadresse, particuli`erement, mes remerciements les plus distingues `a Dominique Richier de lIUTNancy-Brabois, pour sagentillesse, sonaide desinteressee et sonenorme patience avec les multiplesexperiencesdeconsommationdenergiequenousavonseectueaucoursdeladeuxi`ememoitiedemath`ese.Pour nir, jeremerciemes parents et toutemafamille, demavoir soutenuet encouragependanttoutesmes etudesetsurtoutpendantcesanneesloindelamaison.tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009Cetravail deth`eseaetesoutenuenanci`erement par lUniversiteduBo-BoduChili et par unebourse PresidentdelaRepubliquedugouvernementchilien.La plateforme materielle utilisee dans la cadre de cette th`ese `a ete acquise avec une aide nanci`ere duCRANetdunprojetBQR Projets emergents-JeuneschercheursparlUniversiteHenriPoincare.tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009AmispadresAmi familiaAlamemoriadeBertaYolandaRojasMoreno.tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009Tabledesmati`eresIntroduction xixI Positionnement : Etat de lart sur la transmissiondimages dans lesreseauxdecapteurssansl 11Elargirleventaildapplicationspourlesreseauxdecapteurssansl 31.1 Lesreseauxdecapteurssansl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.1.1 Compositionduncapteursansl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.2 Caracteristiquesdesnudsdecapteurssansl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.1.3 Vuedensembledesplates-formesexistantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1.4 Applicationsdesreseauxdecapteurssansl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.1.5 Probl`emesgeneraux`arelever . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.1.6 Principauxaxesderecherchedanslesreseauxdecapteurssansl . . . . . . . . . . 131.2 Verslesreseauxdecapteursdevision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.2.1 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2.2 Specicitesdesreseauxdecapteursdevision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2.3 Desdaujourdhuienmati`erederecherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.3 Perim`etredenotretravail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3.1 Contextescientique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3.2 Plateformeexperimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.3.3 Mesuredelaconsommationdenergieetdutempsdexecution . . . . . . . . . . . 201.3.4 Experimentation:Pertesdedonneessuruneplateformereelle . . . . . . . . . . . 211.3.5 Probl`emesspeciques` aadresser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Latransmissiondimagessurreseauxdecapteurssansl 252.1 Applicationsdesreseauxdecapteursdimage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.1.1 Typesdapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.1.2 Scenariosdapplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2 Dispositifsdecapturedimage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2.1 Camerasbaseessurdescomposantscommerciaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.2 Camerascon cuesspeciquementpourlesreseauxdecapteurssansl . . . . . . . . 332.2.3 Plate-formesdecapteursdevideo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009xii TABLEDESMATI`ERES2.3 Traitementdimagesdanslesreseauxdecapteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.3.1 Compressionlocale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.3.2 Compressiondistribuee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.4 Transmissiondimagessurreseauxdecapteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.4.1 Algorithmesderoutagesurlesreseauxdecapteurslimage . . . . . . . . . . . . . 432.4.2 Transmissionrobustedimages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47II Contributions: Verslatransmissionecacedimagessurdesreseauxdecapteurssansl 493 Transmissiondimagesparunprotocolesemi-able 513.1 Principestechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.1.1 Transformeeenondelettesduneimage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.1.2 Prioritisationetpaquetisationdesdonnees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.1.3 Transmissionsemi-able . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.1.4 Protocolesemi-ableenboucleouverte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.2 Analysedeperformancesduprotocoleenboucleouvert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.2.1 Modelisationduprotocoleenboucleouverte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.2.2 Modelisationduntranscepteurradio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.2.3 Modelisationdelatransformeeenondelettesdyadique . . . . . . . . . . . . . . . . 613.2.4 Modelisationdelaqualitedesimagesre cues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.3 Resultatsnumeriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.3.1 Param`etresdentreedumod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.3.2 Co utdenergieavecunprotocoleable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.3.3 Co utdenergieavecunprotocolesemi-able. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.3.4 Impactdelapolitiquededistributiondesseuilsdenergie . . . . . . . . . . . . . . 673.4 Autresprotocolessemi-ables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.4.1 Protocolesemi-ableenbouclefermee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.4.2 Considerationdelaproximiteaupuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734 Ameliorationdelaresistanceauxpertesparentrelacementdepixels 754.1 Pertededonneesetdissimulationderreurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.1.1 Principesdeladissimilationdeserreurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.1.2 Eetsdespertesdepaquetssurlaqualitedelimagenale . . . . . . . . . . . . . 764.2 Entrelacementdepixels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.3 EntrelacementdepixelsparautomorphismesduTore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.3.1 PrincipestechniquesdesATs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.3.2 PropositiondadaptationdesATpourlescapteursdimage . . . . . . . . . . . . . 824.4 Experimentationetanalysederesultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.5Evaluationduco utdenergiedesAT* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009TABLEDESMATI`ERES xiii4.6Evaluationdelafonctiondentrelacementdepixels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885 Algorithmedecompressiondimagesdefaiblecomplexiteetresistantauxpertesdepaquets 915.1 PrincipestechniquesdeICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.1.1 Suppressiondepixels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945.1.2 1-SAPR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945.1.3 Quanticationscalaireuniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.1.4 Paquetisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.2Evaluationdelaqualitedesimages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975.2.1 ComparaisondedeuxvariantesdeICES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975.2.2 ComparaisondeICESavecdesalgorithmesdecomplexitesimilaire. . . . . . . . . 985.2.3 ComparaisondeICESavecJPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015.3Evaluationdesressourcesconsommeessuruncapteurdimagereel . . . . . . . . . . . . . 1015.3.1 Quantitedememoirerequise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015.3.2 Tempsdexecutionetconsommationdenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1045.4 CouplageICESetAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075.4.1 Principestechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075.4.2EvaluationdelafonctiondentrelacementdeblocscompressesavecICES . . . . . 1085.4.3Evaluationdesperformances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111Conclusions 113Listedespublications 119Noticebibliographique 121tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009xiv TABLEDESMATI`EREStel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009Tabledesgures1.1 Schematraditionneldunreseaudecapteurssansltraditionnel . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Anatomiegeneraledunnuddecapteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3 Quelquesexemplesdetypesdescenariospourlesreseauxdecapteurssansl. . . . . . . . 91.4 Bancdessaiutilisepourlesmesuresdeconsommationdenergieetdutempsdexecution. 211.5 Tracedelapuissanceconsommeeparlecapteurpouruneapplicationsoustest. . . . . . . 221.6 Topologieexperimentalepourlobtentiondetracesdepertesdepaquetsdansunreseaudecapteursdimage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.1 Classicationdesreseauxdecapteursdevisionenfonctiondeleurarchitecturedecom-munication. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2 Quelquestypesdapplicationdereseauxdecapteursdevision. . . . . . . . . . . . . . . . 272.3 Classicationdesalgorithmesdecompressiondimagepourreseauxdecapteurssansl . 362.4 Groupement des coecients dondelettes en fonction de leur relation parent-enfant, commeproposepar(WuetChen,2003). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.5 SelectiondecoecientsavecTriangularJPEG(Mammerietal.,2008). . . . . . . . . . . 392.6 Exempledeplusieursnudscameracapturantdesimagescorrelees. . . . . . . . . . . . . 402.7 DeuxmethodesdierentespourlapplicationdeJPEG2000distribue. . . . . . . . . . . . . 422.8 Classicationdesalgorithmesderoutagepourlesreseauxdecapteurssansl.. . . . . . . 442.9 Exemplesdedierentesmethodesderoutagepourlesreseauxdecapteurs. . . . . . . . . . 443.1 Schemadetransmissionsemi-able. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.2 LaTOdyadiqueappliqueeunefois(a)oudeux(b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.3 Aectation de priorites sur les donnees dune image ayant une representation multi-resolutionbasseesurlatransformeeenondelettes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.4 Relayagedespaquetsenfonctiondeleurprioriteetdeletatdechargedesbatteries. . . . 573.5 Representationducheminentrelasourceetlepuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.6 Representationduntranscepteurradio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.7 Imageoriginaleutiliseepourlestests(128 128pixels). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.8 Formatsdepaquetsutilisescommeparam`etredansnotremod`ele . . . . . . . . . . . . . . 643.9Evaluationdelatransmissionsemi-ableparniveauxderesolutionetparmagnitudesdecoecientsdondelettesavecuneTOappliqueesuruneimagede128 128pixels. . . . . 653.10Evaluationdelatransmissionsemi-ableparniveauxderesolutionetparmagnitudesdecoecientsdondelettesavecdeuxTOappliqueesuruneimagede128 128pixels. . . . . 65tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009xvi TABLEDESFIGURES3.11 Exemplesdimagesreconstruitesapr`esapplicationdelaTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.12 Comparaisondesimagesreconstruitesapr`eslapplicationdedierentesstrategiesdeprio-ritesetdepertesdepaquets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.13 Impactdelapplicationdedierentescongurationsdesseuilsdenergie. . . . . . . . . . . 683.14 Consommationdenergiepourlatransmissionduneimageavecunprotocoleenbouclefermee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.15 Illustrationdelaproblematiquedelaproximiteaupuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.16 Eetdescoecientsdecontractionetdeconcavite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.17 Comparaisondeperformances dunetransmissionsemi-ableenboucleouvertesans etavecconsiderationdeproximiteaupuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.1 Illustration de la perte dun pixel sur une image monochrome et de son estimation `a partirdespixelsvoisins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.2 Illustrationdelapertedunpaquetsuruneimagemonochromeetdeladissimulationdespixelsmanquants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.3 Visualisationdespertesdualatransmissionnon-ableduneimagesanstraitementauniveaudelasource. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.4 Exempledentrelacementdepixelspourlacommunicationdimagessurunreseausujet`adespertesdepaquets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.5 Representationdelassignationdepixelsselonlamethodede(TurneretPeterson,1992). 804.6 ExampledelapplicationdesAutomorphismesduTore, aveck=1, surlimagedetestCouloirdansuneresolutionde128 128pixels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.7 FonctionnementtraditionneldesAutomorphismesdeTore . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.8 Visualisationdespertesduealatransmissionnon-ableduneimagesanstraitementauniveaudelasource. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.9 AT*appliquessurlimage Corridorde128 128pixels. . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.10 Qualite dimage observee en fonction du taux de pertes de paquets pour les scenarios avecetsansmelangedelimage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864.11 EvaluationdeladistancemoyenneentreunpixeletcesvoisinsdansuneimagemelangeeparAT*. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.12 Qualitesobserveessurlimage Corridorenfonctiondestauxdepertedepaquetsavecdierentsclesdediusionn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.1 SchemadecompressionICES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.2 RepresentationdublocBp,qde2 2pixels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945.3 Debit/distorsiondICESvs.desalgorithmesdecomplexitesimilaire. . . . . . . . . . . . . 995.4 Visualisationdelimagedetestoriginale LennaetlaversionreconstruitecompresseeparICES`a3.75bpp,etcomparaisonde lilLennamisalechelleetreconstruitapr`essacompressionparUQ`a4bpp,PR`a3.75bppetICES`a3.75bpp. . . . . . . . . . . . . . . 1005.5 Visualisation de partie mise lechelle de limage originale Corridor (8bpp) et des imagesreconstruitescompresseesparUQ`a4bpp,PR`a3.75bppetparICES`a3.75bpp. . . . . . 1005.6 Debit/DistorsiondeICESvs.JPEG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009TABLEDESFIGURES xvii5.7 Visualisationdelimage Lennareconstruiteapr`escompressionparJPEGavecfacteurdequaliteQ=30etICES`a3.75bpp,etComparaisonde lilLennamisalechelleetreconstruiteapr`escompressionparJPEGavecfacteurdequaliteQ=97etQ=30, etparICES`a3.75bpp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.8 Consommationdenergie et dutemps dexecutionpour les algorithmes de compressionsimples etudiesavecdesdebitsbinairesdierentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.9 Consommationdenergie et dutemps dexecutionpour les algorithmes de compressionsimples etudiesavecdesdebitsdierents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075.10 SchemadecompressionICES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085.11Evaluation de linuence de la cle de difusion n des automorphismes toriques dans la qualitedimagescompresseesetmelangesparblocs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.12 Comparaisondelaqualitepourlimage Corridorapr`escompressionettransmissionparICESavecetsansmelange. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105.13 Comparaisondelaqualitepourlimage Corridorapr`escompressionettransmissionparJPEG*avecetsansmelange. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009xviii TABLEDESFIGUREStel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009IntroductionLemergence des reseauxde capteurs (et dactionneurs) sans l ouvre la voie audeploiement denouvellesapplicationsdesurveillance(etdecontrole-commande)desgrandssyst`emes,notammentceuxqui setendent sur de vastes etendues geographiques et qui requi`erent une instrumentation `a grande echelle.Ces applications am`enent de nouveaux des scientiques et technologiques qui ont retenu lattention duntr`esgrandnombredechercheursaucoursdesderni`eresannees.Les reseaux de capteurs sans l representent une revolution technologique des instruments de mesures,issuedelaconvergencedessyst`emeselectroniquesminiaturisesetdessyst`emesdecommunicationsansl. Il sagitdensemblesduniteselectroniquesminiaturiseescapablesdemesurercertainsphenom`enesphysiques dans lenvironnement o` uils sont deployes. Enraisondes contraintes deminiaturisation, etaussi deco utdefabrication, lesnudsdecapteurs sontgeneralementdotesderessourcestr`eslimiteesentermesdecapacitedecalcul, despacedestockagededonnees, dedebitdetransmissionetdenergieembarquee.Ceslimitationsmotiventungrandepartiedesprobl`ematiquesderecherchedansledomainedes reseaux de capteurs sans l, en particulier la contrainte de lenergie qui est un probl`eme fondamental.Il est couramment admis que le transcepteurradio est un des composants les plus gourmands en energie,etdoncquelaplupartdelenergiedissipeedansunnudconcernelatransmissionetlareceptiondedonnees. Si lapplication le permet, il est donc preferable de transmettre des mesures quand un evenementestdetectedanslazonedeperceptiondunudcapteur(cest-` a-direunchangementconsiderabledansunphenom`enemesure)oupardemandedirecteplutotquedetransmettrelesmesuresperiodiquement.Audel`adumodedefonctionnementdelapplication,unedestechniqueslesplusutiliseespourdiminuerlenergie depensee pour la transmission des donnees est lagregation des donnees. Lagregation de donnees,souvent appelee fusiondedonnees, consiste `a combiner les donnees provenant de dierentes sources poureliminer les redondances, ce qui a pour eet de reduire le trac global du reseau. Dautres solutions existentpourdiminuerlaconsommationdenergie,commeparexempleladaptationdescyclesdendormisement(vanDametLangendoen,2003)oudelapuissancedutransceiverradio(Cardeietal.,2008).Lesapplicationspotentiellesdesreseauxdecapteurssansl couvrentdenombreuxdomaines, telsque: lesapplicationsmilitaires, lasurveillancedelenvironnementetlasante, entreautres. Tradition-nellement,lesreseauxdecapteursont etecon cuspourcapturerdesdonneesscalairessimples,commelatemperature, laluminosite, lemagnetisme, lapressionoulesvibrations, parexemple, qui peuventetrecodees sur quelques octets. Recemment, les progr`es de la microelectronique ont permis la naissance dunenouvellegenerationdecapteursdimagesminiaturesayantunetr`esfaibleconsommationdenergie. Ilssonttr`esinteressantsdanslesapplicationsdesurveillance, etantdonnequelavisionestcertainementleplus puissant des sens humains (Horn, 1986). Mais les reseaux de capteurs dimages posent des probl`emessupplementairesparrapportauxreseauxdecapteurstraditionnelsenraisondescaracteristiquesparti-tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009xx Introductionculi`eres de linformation qui est mesuree. En eet, alors que pour le codage dune mesure de temperature,2ou3octets sont largement susants, cequi peutetrecontenudans unseul paquet, uneimageestgeneralement representee sur plusieurs milliers doctets (enfonctionde lataille de limage et de saresolution). Parconsequent, lenudcapteurvadevoirgenererbeaucoupdepaquetspourtransmettrelimageenti`ere,etdoncconsommebeaucoupdenergie.Unesolutionevidentepourdiminuerlaquantitededonneesenvoyee, etdonclenergieconsommeedanslereseau, estdecompresserlimage`alasource.Neanmoins,lacontraintedelalimitationdesressourcesnoeuds,commelacapacitedetraitementetdestockage de donnees, rend impossible ou inecace en pratique lexecution des algorithmes de compressionstandards. Destravauxen(Ferrignoet al., 2005)ontmontreeneetquedesalgorithmesbienconnuscommeJPEGouJPEG2000ontunco utdenergiebiensuperieuraugainquilsam`enentsurletrans-ceiverradio. Autrementdit, lecapteurdimageepuiseraitplusvitesonenergieenenvoyantdesimagescompresseesquedesimagesnoncompressees.Ledeveloppement denouvelles methodes decompressionet detransmissiondimages ecaces enenergieestindispensablepourqueledeploiementdereseauxdecapteursdimagespuisseetreenvisageenpratique.Cestroisderni`eresannees,deplusenplusdequipesdechercheursapportentdescontributionspourrepondre `a ces nouveaux des. Mais meme si lon trouve de nos jours un nombre important de propositionsdans la litterature, beaucoupde travauxsont encore troptheoriques, valides par simulationouparmodelisation mathematique sans prendre en compte les contraintes posees par les architectures materiellesreelles.Unevalidationexperimentalemanquesouventpourprouverlafaisabilitedespropositions.Cetteth`eseestunecontributionautraitementet`alatransmissiondimagessurlesreseauxdecap-teurs sans l enconsiderant lacontraintedelaconsommationdenergieet, demani`eresous jacente,lacontraintedespertesdepaquets. Cettedeuxi`emecontrainteestindispensable` aprendreencomptepuisquelestransmissionssansl sontfaillibles(erreursdetransmissionduesauxinterferences, possibi-litedecollisionsetdecongestions, pannematerielledenudsdureseau, extinctiondenudssuite`alepuissementdeleursbatteries). Lespertesdepaquetspeuventfacilementetrecorrigeesauniveauduprotocoledecommunicationparexempleavecunmecanismebasesurlesacquittementsetlesretrans-missionsdepaquets, maiscelaaunco utdenergiequi doitetrecomptabilise. Lacorrectiondespertesdepaquetsvapermettredassureruneborneminimaledelaqualitedesimagesnalesmaiselleentraneuneaugmentationdelenergieconsommeeparlereseauetdesretardsdelivraisondespaquets. Notreobjectif estdeproposerdessolutionsqui fournissentuncompromisentrelenergieconsommeeparlescapteursetlaqualitedesimagesre cues.Lecrit`eredeperformancepeut etreexprimesouslaformedunrapport energie-distortion, incluant de fait le co ut denergie de la compression et celui de la transmission.Commeladureedeviedesreseauxdecapteursdimagevadependreavanttout`aladureedeviedesnudssource(ceuxequipesdecamera), nousnousinteressonsspecialement`aladepensedenergiesurcesnuds.Commeonladitprecedemment, plusieurspropositionsquelontrouvedanslabibliographiesontpeuevaluees oupresentent quelquesprobl`emes pratiquesqui lesrendent diciles `amettreenuvre,voir carrement inapplicables. Depar lanaturememedes reseauxdecapteurs, il est clair quonpeutimaginerdesalgorithmesdistribuespourfairelacompressiondimages.Legrandprobl`emeaveccetypedapproche et quil complexie les scenarios de cooperation des nuds du reseau et rendent indispensablelapplication de mecanismes de transmission able pour bien fonctionner. Cela co ute beaucoup denergie.tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009xxiEn plus, lenergie consommee par le capteur dimage source est souvent negligee ou sous-estimee. Dans larealite,lespertesdepaquetspeuvent etregrandesetlestopologiespeuventchangerfrequemment.Nousavonsvoulufairedespropositionsqui sontsusammentouvertespouretreappliqueesdansnimportequellecongurationdereseau,etquisoienttr`essimples`aimplanterdansdescapteursreels.OrganisationdudocumentLememoiredeth`eseestorganiseen5chapitressuivisduneconclusiongenerale.Lepositionnementdenostravauxestpresentesurlesdeuxpremierschapitresetnoscontributionssontdetailleesdanslestroisderniers.Lechapitre1estuneintroductionauxreseauxdecapteurssansl, etauxtechnologiesassociees. Ilpresentelefonctionnementgeneral decetypedereseau, sesapplicationspotentiellesetlesprincipauxaxesderecherchedecedomaine. Il introduitaussi lecasparticulierdesapplicationsavecdesimagespour, nalement, detaillerlesobjectifsdenotretravail derechercheetlepositionnerparrapportauxtravauxmenesauniveaulocaletinternational.Le chapitre 2 presente letat de lart de la recherche sur les reseaux de capteurs dimage. Il fournit uneclassicationdesesapplicationsetdestechnologiesmateriellesexistantes. Il presenteaussi lestravauxles plus representatifs, dune part en traitement et compression dimages, et dautre part en transmissiondimages.Ladeuxi`emepartiedumemoire, composeedeschapitres3, 4et5, detaillenoscontributionsetlesresultatsdeleurevaluationdeperformance. Notrepremi`ereproposition, qui faitlobjetduchapitre3portesurunprotocoledecommunicationsemi-able. Lideeestderealiserdeseconomiesdenergieenrel achant la contrainte de abilite. Cela veut dire accepter, dans une certaine limite, des pertes de paquets.La dierence avec un protocole non able est quici, toutes les pertes de paquets ne sont pas admissibles.Lesapplicationsdetransmissiondimagespeuventsappuyersurunprotocoledecommunicationsemi-ablepuisquelesimagesnaturellesont,parnature,unecertainetoleranceauxerreurs.Lacontraintedecesapplicationsestexprimeemoinsentermesdeabilitequentermesdequalitedelimagenale. Endautres mots, peu importe que des paquets soient perdus dans le reseau pourvu que la qualite de limagenalenensourepastrop.Le chapitre 4 poursuit lidee de rel acher la contrainte de abilite pour economiser de lenergie, mais enlapoussant`alextremecettefois-ci,cest-` a-direenadoptantunprotocoledecommunicationnonable.Dans cecas, nimportequellepertedepaquet est admise, et par consequent laqualiteminimaledesimagesnalesnepeutplusetrebornee. Nousmontronsenparticulierquecetteapprocheestviable`alaconditiondappliquerunetechniquedentrelacementdepixels`alasource,avanttransmission.Surceconstat, nous avons adopte une technique dentrelacement basee sur les automorphismes du Tore et nousproposonsuneadaptationecacepourlesdispositifslimitesenressources.Le chapitre 5traite de lacompressiondes images `alasource. Nous proposons unalgorithme decompressiondimageoriginalqui,dunepart,esttr`espeucalculatoiredoncpeugourmanden energie,etqui, dautre part, assure que limage compressee a un maximum de resistance aux erreurs de transmission.Notre but etait clairement de transmettre des images compressees ense basant sur unprotocole decommunicationnonable,doncenacceptant,sansexclusive,touteslespertesdepaquets.Enprocedantcomme cela evidemment, il faut que la qualite des images reste acceptable meme pour des taux de pertestel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009xxii Introductioneleves. Nousnoussommesdoncorientesnaturellementversunalgorithmedecompressionparblocsdetr`es petites taille, 22 pixels, couple `a lalgorithme dentrelacement de (blocs) de pixels donne au chapitre4.tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009Premi`erepartiePositionnement: Etatdelartsurlatransmissiondimagesdanslesreseauxdecapteurssansltel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009tel-00417505, version 1 - 16 Sep 2009Chapitre1Elargirleventail dapplicationspourlesreseauxdecapteurssanslBien souvent1, il sut de regarder autour de nous pour trouver des exemples dapplication de capteursdetoutes sortes : Dans les machines `alaver, les ascenseurs, les voitures, oules telephones portables ;lintegrationdescapteursdanslesobjetsdenotreviequotidienneestenpleineexpansion. Cestcettecapacite`a percevoirlemondequi faitquenosmachinesdeviennentdeplusenplusautonomes, etque nous pouvons nous liberer de nombreuses t aches qui etaient auparavant seulement possible soussupervisiondirectedelhomme.Uncapteur peutetredenicommeundispositifquiper coituneproprietephysiqueetquimappelavaleur `a une mesure quantitative (Gortz etal., 2004). On trouve par exemple des capteurs de position, devitesse,dacceleration,depression,demouvement,deluminosite,etdetemperature,pournenciterquequelques uns parmi les plus simples. Des capteurs plus complexes, comme des capteurs de son ou dimagessont aussi tr`es largement utilises. Dans les usines modernes daujourdhui, les syst`emes de production sontbondes de capteurs qui surveillent et securisent les processus de fabrication. On y trouve par exemple descapteursqui indiquentlapositiondesmati`erespremi`eres, letatdesmachinesetlaqualiteduproduitnal,entreautres.Danslesvoitures,ontrouvedesdetecteursdepresencedepassagers,douverturedesportesetdeposition(GPS).Aveclintegrationdescapteursdanslessyst`emesembarques, leventail desapplicationssestelargi.Les syst`emes embarquessont des syst`emes integres `a fonctionalite specique qui permetent dexecuter dest achestr`esparticuli`eres(parfoiscritiques)auseindesyst`emescomplexes, encomplementdeleurr ole,permettant un fonctionnement optimise en termes decacite, de abilite et de securite. Lintelligence dece type de syst`emes bases sur des microcontroleurs dedies peut, avec laide de capteurs integres, eectuerleprocessusdesurveillancedecertainesactionstr`esspeciquesdanslememelieuo` uellesseproduisent,ouenvoyerrapidementdesinformationspertinentespourlesphenom`enesdetectes.UnexempletypiqueestlABS(Antiblockiersystem)pourlaideaufreinagedurgence.Si un peripherique avait besoin de communiquer avec dautres appareils, une connexion par cable etaitlaseulesolutionpossibledansunpremiertemps.Avecletemps,leco utdespucesensiliciumacontinue`a baisserexponentiellement,etdans denombreuxcas,le co utdes circuits integresde radio frequenceest1Ilfautetre` alacampagneouauboutdumondeetenti`erementisolepournepasetredanscecasl` a.tel-00417505, version 1 - 16 Sep 20094Elargirleventaildapplicationspourlesreseauxdecapteurssanslmaintenantinferieur`acelui ducableetdesconnecteursquilsremplacent. Unsyst`emedetransmissionsansl integreajouteunliendecommunicationpourlemateriel etlelogiciel `aintegrersansbesoinsdeconnexions laires rigides. Cetteintegrationdecapteurs, desyst`emes embarques intelligents et decommunicationssansl aconduit`alanaissancedunenouvellegammededispositifselectroniquesqueouvrentlavoie`adenouvellesapplicationsbaseessurdescapteurssansl. Ilsfontlobjetdeplusieurstravauxderechercheetdedeveloppement,etilssontlecentredinteretdecetteth`ese.De toute evidence, les technologies de communication sans l apportent plusieurs avantages (IndustrialTechnologiesProgram-U.S. Departmentof Energy, 2002). Toutdabordlaportabilite. Enfonctiondelaconnectivite, lappareil sans l peut etreplacepratiquement nimporteo` u, puisquil nyaplus decontrainte dinstallation de cables. Deuxi`emement, des economies sur les co uts en raison de la suppresionducablage. Laexibilitedecesreseauxestegalementungrandavantage, eneet(etcetavantageestetroitementliee`alaportabilite),larchitecturedereseausanslnapasbesoindetrexee`alavanceetles dispositifs peuvent communiquer les uns aux autres par la simple fait detre dans la zone de couverturedusignalradio.Leconceptdereseauad-hocentreicienjeu.Lesreseauxdecapteurs2correspondent`auntypeparticulierdereseauad-hoc. Cechapitrefaitunedescriptiongenerale de latechnologie utilisee pour les capteurs intelligents sans l, lelement le plusgranulairedesreseauxdecapteurssansl, puispresentelesgrandesclassesdapplications, ycompriscellesfaisantappel`adescapteursdimage.1.1 LesreseauxdecapteurssanslUn reseau de capteurs sans l (WSN) (Akyildiz et al., 2002) est un syst`eme distribue de grande echellemettant en communication un grand nombre dentites autonomes communement appelees capteurs sansl ,autantsimplement capteurs .Cescapteursformentdonclesnudsdureseau.Dansunscenariodapplicationclassique, plusieurs nuds capteurs sont deployes dans uncertainenvironnement pourmesurer certains phenom`enes physiques et faireremonter les informations collectees `aunestationdebase, nommee le nudpuits (une porte dentree vers le monde exterieur qui fait linterface entre lereseaudecapteursetlutilisateurdesdonnees). Danslecasleplussimple, lescapteursserontdanslevoisinage direct du puits (un reseau de type etoile `a un saut). Cependant, dans le cas dun reseau `a grandeechelle, les capteurs ne sont pas tous dans le voisinage du puits et les messages seront achemines du nudsourcevers lepuits entransitant par plusieurs nuds, selonunmodedecommunicationmulti-sautscommelillustrelagure1.1.Unreseaudecapteurssansl estuntypeparticulierdereseauxad-hocqui sontutilisespourlin-terconnexionspontaneedessyst`emesinformatiques. Dansunreseauad-hoc, lesentitessontenmesuredesorganiserentreellespourformerlereseausanslaideduneinfrastructurexedenie`alavance,ni duneinterventionhumaine. Lesnudsontlacapacitedejouerler olederouteurs. Lesprincipalesdierencesentrelesreseauxdecapteurssansl etlesreseauxad-hoctraditionnelssontleprobl`emedelenergie et le facteur dechelle. En eet, la taille dun reseau ad hoc est habituellement consideree sur uneechelle entre 10 et 100 nuds, alors que la taille dun reseau de capteurs est plutot de lordre de plusieurs2 `Apartirdemaintenant,toutaulongdecetteth`ese,letermereseaudecapteursserautiliseindieremmentpourparlerdunreseaudecapteurssansl.tel-00417505, version 1 - 16 Sep 20091.1Lesreseauxdecapteurssansl 5Internet,...PuitsABCDEFEvenementCapteursChampdecapteursSatellite,UtilisateurFig.1.1:Schematraditionneldunreseaudecapteurssansltraditionnelcentaines,voiredesmilliersdenuds3.Enoutre,ladensitededeploiementaugmenteconsiderablement,delordrede10`a30voisins usuellement. Par ailleurs, les ressources limitees des nuds font quelesreseaux de capteurs ont des dierences dans leur fonctionnement,leur securiteet leur abilite, selonleurapplication. Denouveauxprotocolesdecommunicationetdauto-organisationdoiventetredeveloppesenfonctiondes besoins des applications puisqueles caracteristiques dureseauvarient enfonctiondelapplication.Parexemple,certainsapplicationsconsid`erentquelesnuds,unefoisdeployes,sontxes,dautres consid`erent quils sont mobiles. Le reseau peut etre homog`ene ou heterog`ene (dierents types decapteursetdenudsounon).Ilpeutavoirunseulpuits,ouplusieurs.Endenitive,ilyabeaucoupdescenariosenvisageablesetdesprotocolesgeneriquesnepourrontpasetreecacesdanstouslescas. Latendanceestaudeveloppementdeprotocolesdedies`auneapplicationparticuli`ere.1.1.1 CompositionduncapteursanslLescapteurssansl consideresici sontcon cuscommedeveritablessyst`emesembarques, dotesdemoyens de traitement et de communication de linformation, en plus de leur fonction initiale de relever desmesures. Ils representent une revolution technologique des instruments de mesure, issue de la convergencedessyst`emes electroniquesminiaturisesetdessyst`emesdecommunicationsansl.Comme cela est illustre gure 1.2, un capteur sans l est compose fondamentalement de quatre uniteselementaires:UnitedeCaptage: Cecomposantestlunitequi contientleoulescapteursembarquessurlenud.3En ao ut 2001, des chercheurs de lUniversite de Californie, Berkeley, ont deploye le reseau de capteurs le plus important` a ce jour l` a, compose de 800 nuds Dots (http://webs.cs.berkeley.edu/800demo/). EnDecembre 2004, ungroupede lUniversite de lOhioadeploye unreseaucompose de 1000nuds de capteurs XSMs, et unbackbone compose de200puits XSS, enfaisantegalement lereseauad-hocsans l 802.11bleplus important enregistrejusqu` acettedatel` a(http://cast.cse.ohio-state.edu/exscal/).tel-00417505, version 1 - 16 Sep 20096ElargirleventaildapplicationspourlesreseauxdecapteurssanslHabituellement, unconvertisseur analogique-numerique (CAN) convertit les signaux provenantdescapteurs(signauxanalogiques)ensignauxinterpretablesparlUnitedeTraitement(signauxnumeriques).UnitedeTraitement: Elleestgeneralementconstitueedunmicrocontroleurdedieetdelamemoire.Cetteunitefournitauxcapteurslacapacitedexecuterdescalculssurlesdonneesetlesconserverselonunscenarioprogramme.Bienquecenesoitpasobligatoire,ilestsouhaitablequilexistedesmoyensdereprogrammerfacilementlescapteursdanslecasdunchangementdanslesexigencesdelapplication.UnitedeCommunication: Elleestleplussouventconstitueeduntranscepteurradioquifournitaucapteurlacapacitedecommuniqueraveclesautresauseindunreseau. Ellemetenuvredesprotocolesdecommunicationdependantdelatechnologieutilisee(parexemple802.11, 802.15.1,802.15.4, etc. pourlestechnologiessansl), tandisquelesprotocolesdeplushautniveau(rou-tage,localisation,etc.)sontmisenuvredanslUnitedeTraitement.Certainestechnologiesradiopermettentdechangerlafrequenceetlapuissancedetransmission.UnitedePuissance: Comme il est souhaitable de saranchir de toute connexion par cable, le capteurdoitdisposerdesapropresourcedenergiequi alimentelerestedesunites. Cetteunitesetrouvegeneralementsouslaformedebatteriesstandarddebassetension.En fonction des applications pour lesquelles ils sont con cus, les capteurs sans l pourraient egalementavoirdautresmodules, commeuneUnitedeLocalisation, andidentierleurpositiongeographique,par exempleenutilisant unrecepteur GPSouunetechniquedetriangulation. Certaines applicationspourraient aussi avoir besoindecapteurs equipes dunMobilisateur pour quils puissent sedeplacer.Enn, sil est necessaire quun nud soit maintenu en activite pendant une tr`es longue periode de temps,unGenerateur de Puissance, tel que des cellules solaires, serait utile ande tenir le nudalimenteelectriquementsansavoir`achangersesbatteries.Syst`emedeLocalisation MobilisateurUnitede UnitedeTraitement CommunicationUnitedeCaptageProcesseur RecepteurCapteur CAN StockageEmetteurUnitedePuissanceGenerateurdePuissanceFig.1.2:Anatomiegeneraledunnuddecapteur1.1.2 CaracteristiquesdesnudsdecapteurssanslEnanalysantlagammedescomposantsdisponiblessurlemarcheetlesprototypespresentesdanslalitterature,ilestevidentquelaprincipalecaracteristiquedunnuddecapteurssanslestsapetitetel-00417505, version 1 - 16 Sep 20091.1Lesreseauxdecapteurssansl 7taille.Depuisquelespremiersnudsdecapteurssanslsontapparusilyaunpeuplusdedixans,latendance est `a la miniaturisation. Une deuxi`eme caracteristique, evidente mais essentielle, est lautonomie(passeulementdupointdevuedeleursourcedenergie, maisaussi deleurfonctionnement). Cesdeuxpremi`eresparticularitesinduisentplusieursautrescaracteristiques`aconsiderer, enparticulierlavitessedecalcul etlavitessedetransmission. Desperformanceseleveesentermesdevitessedetraitementetdetransmissionimpliquentuneconsommationdenergieeleve. Demani`eregenerale, il estsouhaitablequeladureedeviedelabatteriedenudssoitlaplusgrandepossible, donclesdierentesunitesquicomposentunnudsontgeneralementtr`eslimiteesentermesderessourcesetdeperformancepourqueleurconsommationdenergiesoitextremementfaible.Dautres caracteristiques sont souvent utilisees comme specicites des nuds de capteurs dans labibliographie,parexemplequilsaientunfaibleco utdeproduction.1.1.3 Vuedensembledesplates-formesexistantesCommeuncertainnombredetechnologiesconnues`acejour,lesnudsdecapteurssansldoiventetre nes dunprojet militaire, ce qui entrave la mise enplace dune chronographie precise de leurdeveloppement.Cependant,letitredepremierprototypedenudsdecapteurssanslidentiabledanslebibliographiecorrespondsansaucundouteaumoduleLWIM(Low-powerWirelessIntegratedMicro-sensors)developpedanslemilieudesannees90parlAgencepourlesProjetsdeRechercheAvanceedeDefense(DARPA)desEtats-UnisetlUCLA. Il sagissaitdungeophoneequipeduncapteurdetrans-mission radio-frequence et dun controleur PIC. Depuis un peu plus de 10 ans, la technologie des capteurssansl abeaucoupevolue. Lesmodulesdeviennentdeplusenpluspetitsetlesdureesdevieprevuesaugmentent.Aujourdhui,lemarchedenudsa eteouvert`alindustrie.LefournisseurleplusconnuestCrossbowInc.,avecsonoredecapteursMica2etMicaZ.Letableau1.1recenselesdierentscomposantsactuellementdisponiblessurlemarche.Leconceptprevalentdansledeveloppementdenudsdecapteursestlaconceptionmodulaire. Eneet,touslesnoeudsdelatable1.1sontenfaitdescartesintegreesquiregroupentlunitedecommuni-cationetlunitedetraitement, tandisquelunitedecaptageestcon cuecommeunecartedistinctequipeutetreattacheesur luniteprincipale. Celapermet biens ur depouvoir reutiliser les memes unitespourdierentesapplications. Parexemple, unnudMica2peutetrecombineavecunecarteMTS310quicomprenduncapteurdetemperature,uncapteurlumi`ere,uncapteurdeson,uncapteurdechampmagnetique, et un accelerom`etre `a deux axes. De meme, nous pouvons combiner le nud Mica2 avec unecarte MTS420 pour le doter dun capteurdhumiditeet dun capteur de pression barometrique,et memedunGPSpour lepositionnement geographique. Uneautrepossibilitepour lamemeuniteest lajoutdunecartedacquisitionMDA320.Compte tenu des imperatifs deconomie denergie que doivent respecter les nuds de capteurs sans l,un grand nombre de capteurs peuvent etre bascules, par programmation, dans dierents modes dactivite.Ainsi, unnuddecapteurspeutpasserdunmodeactif, o` ulenudestenpleinecapacitedetravail(toutes les unites sont operationnelles), `aunmode sommeil, o` utout oupartie de ses elements sontinactivespoureconomiserlenergie. Danscederniermode, leminimumestlaisseactif desortequelenudpuisserevenir`aletatactifsillejugenecessaire(parexemple,apr`esuncertaintemps).tel-00417505, version 1 - 16 Sep 20098ElargirleventaildapplicationspourlesreseauxdecapteurssanslTab.1.1:CaracteristiquesdenoeudsdecapteursexistantsactuellementPlate-formeFabricant UnitedeTraitement Unite de Communica-tionUnitedeCaptage Unite dePuissanceMICA2 CrossbowAtmelATMega128L(128Kodememoiredeprogramme,4KoRAM)512komemoireashpourdesdonneesEEPROM4Ko(conguration)CC1000(radiotranscepteurmulti-freq.868/916-433-315MHz,38.4Kbaud)Connecteurpourcartedecapteursexterne2.7-3.3VMICAZ CrossbowAtmelATMega128L512komemoireashpourdesdonneesEEPROM4Ko(conguration)ChipconCC2420(radiotranscepteur802.15.4,bandeISMde2400` a2483.5MHz,250kbps)Connecteurpourcartedecapteursexterne2.7-3.3VIRIS CrossbowAtmelATMega1281(128Kodememoiredeprogramme,8KoRAM)512komemoireashpourdesdonneesEEPROM4Ko(conguration)Radiotranscepteur802.15.4(bandeISM,de2400` a2480MHz,250kbps)Connecteurpourcartedecapteursexterne2.7-3.3VImote2 CrossbowIntelPXA271256komemoireSRAM32MomemoireSDRAM32MomemoireashTICC2420(bandeISM,de2400` a2483.5MHz,250kbps)Connecteurpourcartedecapteursexterne3.2-4.5VTmoteSkyMoteiv(Sentilla)Texas InstrumentsMSP430 F1611 (10KoRAM, 48Ko Flash,128o stockage dinfor-mation)ChipconCC2420Connecteurpourcartedecapteursexterne2.1-3.6VBTnoderev3ETHAtmelATMega128L64+180KbyteRAMEEPROM4KoBluetooth,CC1000ConnecteurpourcartedecapteursexterneDCexterne3.8-5Vou2AAParticle2/29TECOPIC18F6720(20MHz),Memoireinterne:128Kodememoiredeprogramme,4KoRAM,1KoEEPROM,512KoMemoireashpourdesdonneesTR1001(RFM,bandepassante125Ko,bandsISM868.35ou315MHz)Connecteurpourcartedecapteursexterne0.9-3.3VLa plupart des fabricants adoptent des emetteurs RF `a basse frequence. Certains ont choisi de mettreenoeuvreunprotocoledoriginerecentecon cupourlesmodulessansl industrielsetspeciedanslanormeIEEE802.15.4.Ceprotocoledetransmissionop`eredanslabandedefrequencesdes2.4GHz.Lesmicrocontroleurschoisissontgeneralementdunefaiblevitesseetdetr`esfaibleconsommationdenergie.De meme, la memoire disponible pour les programmes et les donnees est tr`es reduite en comparaison aveccelledes equipementsinformatiquesdaujourdhui.1.1.4 ApplicationsdesreseauxdecapteurssanslPlusieurs types dapplicationspeuvent etre developpeespour les reseaux de capteurs sans l.Selonlemode de communication des donnees de mesure, nous identions quatre grands scenarios dapplications :Applicationsperiodiques: Les capteurs prennent des mesures dans des intervalles de temps reguliers,tel-00417505, version 1 - 16 Sep 20091.1Lesreseauxdecapteurssansl 9etilsenvoientlesdonneesaupuitsdemani`ereperiodique.Danslexempledelagure1.3(a),uneimage est capturee periodiquement par le noeud A, puis, il envoie les paquets vers le puits `a traverslesnuds1et2.Applications`alademande(On-Demand): Lescapteursattendentderecevoirunordredupuitspourdeclencherunemesureetlenvoyer.Cetordrepeut etregenereparlademandemanuelledunutilisateurhumainoudunet acheautomatiqueprogrammee. Danslexempledelagure1.3(b),unedemandeestadresseeaunoeudsourceA,lemessageestachemine`atraverslesnoeuds2et1,et`asareception,Aactivesonunitedecaptageetenvoiecesmesuresverslepuits,cettefoisparlecheminconstituedesnudsintermediaires3,4et2.Applicationsevenementielles(Event-Driven): Dans ce type dapplications, lenvoi de donneesvers lepuits est declenchelorsquunevenement particulier est detecte. Lesevenements peuventetrecausesparledepassementdunseuildanslesmesuresrecolteesparlecapteur.Danslexemplede la gure 1.3(c),le noeud de capteurs A detecte un evenementcause par un objet qui traverse sazonededetection,etcommenceaenvoyersesmesuresverslepuits`atraverslesnuds1et2.Applicationshybrides: Toutealliancedescasprecedents.PuitsNuddecapteursA12TransmissiondedonneestT(a) Une application de capture periodique. Un nudprend des mesures periodiquement, et envoie les paquetsverslepuits` atraverslesnuds1et2.PuitsNuddecapteursA1234TransmissiondedonneesDemande(b) Une application `a la demande. Une demande estadresseeaunudcapteur A` atravers les nuds 2et1, puis Aprenddemesures et les envoiepar paquetsverslepuits` atraverslesnoeuds3,4et2.PuitsNuddecapteursEvenementA12Transmissiondedonnees(c) Uneapplicationevenementielle. Unnoeuddecap-teurs Adetecteunevenement causepar unobjet quitraversesazonededetection, et commenceaenvoyerlesvaleursdecesmesures.Fig.1.3:Quelquesexemplesdetypesdescenariospourlesreseauxdecapteurssansl.tel-00417505, version 1 - 16 Sep 200910ElargirleventaildapplicationspourlesreseauxdecapteurssanslLes reseaux de capteurs sans l ont trouve un ensemble tr`es vaste dapplications dans divers domaines(Arampatzis et al., 2005), parmi lesquels onpeut citer les applications militaires, environnementales,industriellesetdesurveillanceengeneral.ApplicationsmilitairesLes premi`eres applications potentielles des reseauxdecapteurs ont concerneledomainemilitaire.Lidee etait de deployer un reseau de capteurs nanoscopiques (donc invisibles) sur des champs de batailleoudeszonesennemiespoursurveillerlemouvementsdestroupes. Historiquement, leprojetDARPA,qui adej` aete cite, adonne comme resultat les nuds experimentauxLWIM(tr`es rudimentaires etassezvolumineux)quicommuniquaientselonunetopologieen etoile.Lesapplicationsmilitairessontlespremi`eres et certainement les plus representatives des applications trouvees actuellement dans le domainedesreseauxdecapteurssansl.Dans (Aroraet al., 2005), nous trouvons les resultats dune experience intitulee ALine intheSand( Unelignedanslesable)o` uunreseaudecapteurssansletaitdeployedansunscenariodesecurite. Cereseauetaitconstituede90nudsMica2dotesdecapteursdemetauxetdecapteursdemouvementTWR-ISM-002. Il aetedeployesurlabasemilitairedeMacDill (AirForceBase)`aTampa(Floride), et dautres zones dexperimentation de la meme ampleur. Lobjectif du reseau de capteurs etaitde detecter et suivre les mouvements dobjets mobiles intrus. Le syst`eme devait etre en mesure de classerlesobjetsdetectesdanslechampsdactiondureseau.Troisdierentsgroupesdobjectifsont eteclassesentenantcomptedescaracteristiquesdetectablestellesqueleurquantitedemetaletdeleurrapiditedemouvement: personnenonarmee, soldatetvehiculeblinde. Lesresultatsdelexperiencemontrentuneprecisionlargementacceptabledanslareconnassancedesobjets.ApplicationsenvironnementalesUneapplicationtr`esrepresentativea eteeectueedanslleGrandDuck(44.09N,68.15W),`aMaine.Unreseaude32noeudsaetedeployepourlasurveillancedelhabitatdesp`ecesprotegees(Mainwaringetal.,2002).LesunitesdeployeesetaientdesnudsMicaetellesonteteutiliseespouretudierlecom-portementdeloceaniteculblanc(oceanodromaleucorhoa),conformementauxchangementsclimatiques.Les nuds, dont certains ont ete installes dans les nids des oiseaux, etaient capables de mesurer latemperature,la pressionbarometriqueet dhumidite,et de transmettreles donneesdans un modemulti-saut jusqu`a un puits, puis vers une station de base accessible `a partir dInternet. Une application similairepeut etre trouvee dans (Naumowicz etal., 2008), concernant letude des oiseaux de mer dans une reservenationalenaturelleauRoyaume-Uni.De nombreuses applications de reseauxde capteurs se concentrent sur lamesure de phenom`enesclimatiques qui permettent detudier des changements dans lenvironnement de certaines esp`eces animalesouvegetales, andemieuxcomprendreleurcomportementet, danscertainscas, supporterdesetudesdereintroductionetdesauverdesesp`ecesquisontencoursdedisparition.Unexemplesupplementairedapplicationest documente dans (Biagioni et Bridges, 2002), pour letude `alongterme des esp`ecesvegetalesendanger.Dautresapplicationsenvironnementalessontdestinees`alasurveillancedecertainsphenom`enescli-matiques an de detecter ou de prevoir certaines catastrophes naturelles telles que leruption des volcanstel-00417505, version 1 - 16 Sep 20091.1Lesreseauxdecapteurssansl 11(Harvard Sensor Networks Lab, 2004 - 2008), les inondations (Schulz etal., 2008) et les incendies de foret(DoolinetSitar,2005).ApplicationsindustriellesLes technologies sans l nont pas encoreatteint leur apogeedans les industries, neanmoins nouscommen cons `avoir aujourdhui une augmentationdunombre de produits proposes pour ce milieu4.Certainsprotocolescommelanorme802.15.4sontencoursdevaluationandedeterminersilspeuventsupportercertainesdescontraintestypiquesdesapplicationsindustrielles, tellesquelacommunicationtempsreel(Sallesetal.,2008)etlarobustesseauxerreursdetransmission(Willigetal.,2002).Pourlemoment,lutilisationdetechnologiesdereseauxdecapteurssanslestencore,danslaplupartdescas,enstadeexperimental.Enraisondeleursensibiliteauxinterferences,linteretprincipaldesreseauxsansldanslindustrieestconcentreaujourdhui surlesapplicationsdemaintenancepredictive. (Krishnamurthyet al., 2005)parexemple,ont evaluelesperformancesduneapplicationdereseauxdecapteurspourlaprevisiondespannesdequipementdansdesenvironnementsindustriels, surlabasedemesuresdevibration. Ilsontdiscutedelamiseenuvredunearchitecturedereseauxdecapteurs dans uneusinedefabricationdesemi-conducteurs, encomparantdeuxplates-formesdierentes: lunebaseesurdescapteursMica2etlautresurdecapteursIntel Mote(Nachmanet al., 2005). UneautreexperienceaeterealiseedansunpetrolierdanslamerduNord. Lesresultatsmontrentlepotentiel desreseauxdecapteurssanslpourfournirdesdonneesdehautequalitesurdesperiodesdeplusieursmois. Ilssontutilespourdesapplications demaintenancepredictiveet disponibles `aunco ut relativement faible. Dautrepart, lestravaux de (Ramamurthy etal., 2005; Ramamurthy etal., 2007) sont axes sur lintegration dun controleintelligentbasesurlatechnologiedescapteurssansl,nonseulementpourlacapturedelinformation,maisaussipourcontrolerdesactionneurs(desmoteurs).Dautres deploiements ont ete realises dans les industries agricoles. Par exemple, les travaux menes par(McCulloch et al., 2008) visaient `a ameliorer lecacite du syst`eme dirrigation de paturage, en Australie.AutresapplicationsLesapplicationsmentionneesci-dessussontlespluslargementenvisagees.Neanmoins,nouspouvonstrouverdautresdomainesdapplicationdesreseauxdecapteurs. Dansledomainedelamedecine, ontrouvedesapplicationsdesurveillancedepatients(UVADepartmentofComputerScience,2005-2007).Danslaconstruction, onytrouvedesapplicationsdesurveillancedesstructuresdebatiments(Xuetal., 2004), ainsi que des applications liees `a lautomatisation des maisons (Gauger et al., 2008), le pilotagederobots(Kotayetal.,2005),. . .1.1.5 Probl`emesgeneraux`areleverLes probl`emes poses par les reseaux de capteurs sans l ont dej` a ete enonces. Nous resumons ci-dessouslesplusimportants:4WINA - Wireless Industrial Networking Alliance, Wireless solutions by Industry, http://www.wina.org/WireSol/Pages/WirelessSolutionsbyIndustry.aspxtel-00417505, version 1 - 16 Sep 200912ElargirleventaildapplicationspourlesreseauxdecapteurssanslEnergie: Comme on la dej` a dit, lenergie est consideree comme une ressource rare dans les applicationsdereseauxdecapteurs sans l. Eneet, les nuds generalement utilisent debatteries, souventnonrechargeables, et generalement nont pas de mecanismes de productiondelectricite. Il estcommunement dit que les applications pour lesquelles les reseaux de capteurs sont focalises sugg`erentque le changement des batteries est dicile ou impossible. Selon lapplication, les nuds pourraientetre dans des endroits diciles dacc`es, sur un champ de bataille, et ainsi de suite. Il en resulte quelecacitedelagestiondelemploi delenergiedisponibleestunequestionsouventvitalepourlereseau.Ressourceslimiteesdesnoeuds: La demande exige une tendance vers la miniaturisation des nuds,ainsi que vers lelargissement de la duree de vie et la baisse du prix des unites. Les nuds ont doncdes ressources extremement limitees, en comparaison avec lequipement informatique que nous avonsdenosjours(telsquelesordinateursportatifsetlesPDAs),entermesdememoiredisponible,decapaciteet devitessedetraitement, dedebit, . . . Eneet, descaracteristiquescommelahautevitessedetraitementetdetransmissiondedonnees,ouunegrandecapacitedememoire,sontdesfacultes qui amenent `a une consommation energetique tr`es importante. Si on veut avoir de capteursdetaillemicroscopique, defaibleconsommationdenergieetdefaibleco utdefabrication, onnepeutpasutiliserdemicrocontrolleursoutranscepteursradiodehautevitesse.Dimensionetdensitedureseau: Les reseauxde capteurs sont consideres comme des reseauxdetr`esgrandedimension, delordredeplusieurscentains`aplusieursmilliersdenuds, deployesdemani`eredense(chaquenudpeutavoirplusieursdizainesdevoisins). Lafortedensitedureseaupeut entraner des probl`emes de congestion, si les nuds essaient de communiquer au meme moment,doncdesretardsdansladiusiondemessagesetdespertesdepaquets.Ladensitedureseauest generalement mise`aprot pour partager letemps detravail entrelescapteursproches,etainsiaugmenterladureedeviedureseau.Lefacteurdechelleestegalementimportantpourlaconceptiondesprotocolesdecommunicationetdestraitementsdedonnees.Leroutagedepaquetsdoitetreeectuedunemani`ereeconomiqueenenergie,sanspourautantquelesnudssoientobligesdeminorisertouteslesroutespossibles.Pourmatriserlaquantitedinformation`afaireremonteraupuits, desalgorithmesdefusiondedonnessontaussi`aenvisager.Environnementdecommunicationnoncontrolable: Il est habituel dans la litterature de prendrelexemple dun reseau de nuds de capteurs deploye en larguant les capteurs depuis un avion. Pourcetypededeploiement, lepositionnementdescapteursnestpascontrole, desortequelereseaudoitfaireface`adesprobl`emesdeconnectiviteduncertainnombredenudsquiseretrouventendehorsdelazonedecouverturedesautresnuds, soitparcequilssonttropeloignes, soitparcequilssonttombesdansdeslieuxquientraventlapropagationdesondesradiooutoutsimplementparcequilsont etedetruits.Lesreseauxdecapteursheritentdetouslesprobl`emesdelusagedunecommunicationsansl,telsquedesprobl`emesdinterferencesetdesprobl`emesdesecurite(attaques). Lessignauxradioemisparlesnudspeuventetreserieusementendommagesparlesinterferencespresentesdanslemilieu.Lesbassesfrequencespeuvent etreperturbeesparlebruitdesmachinesoudautresagentsque ne sont pas necessairement communicants, tandis que les hautes frequences sont perturbees partel-00417505, version 1 - 16 Sep 20091.1Lesreseauxdecapteurssansl 13dautres equipementscommunicantsqueutilisentlesmemesbandesdefrequences.Topologiedynamique: Lesreseauxdecapteurssontdesreseauxdontlatopologiepeutchangertr`esfrequemment. Ces changements topologiques peuvent etre dus `a la mobilite des nuds. Mais memepour les applications o` ules nuds sont xes, des changements peuvent seproduirelorsquedesnudssontajoutesouenleves, soitparactiondirectedelutilisateur, soitparlebasculementdeletat desnuds(actif/endormi), soit par lepuisement delenergie, oulapannedesnuds. Cechangementaleatoiredeladispositiondesnudsexigequelesnudspuissentsauto-organiseretcelapassepardesmethodesecacesen energieetrobustesaufacteurdechelle.1.1.6 PrincipauxaxesderecherchedanslesreseauxdecapteurssanslPourobtenirunpremieraper cudeletatdelartsurlesreseauxdecapteurs, lelecteurnoviceestinvite`aconsulterlarticle surveyde(Akyildizetal., 2002). Lesaxesderecherchesontdecaract`erepluri-disciplinaire, ils touchent les domaines de linformatique, de lautomatique, du traitement du signal,delelectronique,desnanotechnologiesetdesmathematiques.Dans lasection1.1.3, nous avons montre que le developpement de materiels pour les reseauxdecapteursestdej` aunniveauavancedelevolution.Leseortsdanscedomainesontfaitesprincipalementdanslaconceptiondecomposantsmieuxintegres,etpeugourmandsen energie.Enparall`ele,denormeseortssontdeployesaujourdhui danslaminiaturisationdesnoeuds(Choi etSong, 2008). Nousavonsdiscutelesprincipauxcomposantsdisponiblessurlemarche.Danslabibliographie,ontrouveaussiunegrandevarietedeprototypesnoncommercialises(Vieiraetal.,2003).Sansaucundoute,lesmoduleslesplusutilisessontceuxdelafamilledeCrossbowMica,initialementcon cuparlUniversitedeCalifornie(Hill etCuller, 2002b), etlesnoeudsTmoteSkydeMoteiv. Dautresmodulesqui sontdeveloppespardes universitessont: les nuds Medusa MK-2 de lUCLA(Savvideset Srivastava,2002),lesnuds DIYdelUniversitedeLancaster(Strohbach, 2004), lesnudsZebraNetdePrinceton, lesnudsXYZdelUniversiteYale(LymberopoulosetSavvides,2005)etlemodulePushpinduMIT(Liftonetal.,2002).Depairavecledeveloppementdescomposantsmaterielspourlesreseauxdecapteurs,laconceptiondabstractions pour laprogrammationet lacongurationdes nuds aegalement connueunegrandeevolution. Nouspouvonsaussi compteraujourdhui surdessyst`emesdexploitationetdeslangagesdeprogrammationpoursyst`emesembarques,telsque TinyOSetNesC (UC Berkeley,n.d.)quisont utilisesaveclesmotesMicaetTelos.Larecherchedanslesprotocolesdecommunicationestaussiextr`emementactive.Destravauxsurlacoucheliaisondedonnees(MACpourMediaAccessControl )pourlesreseauxdecapteursint`egrentlapriseenchargedesperiodesdendormissementdesnudspoureconomiserlenergie. DesexemplesdeprotocolesMACcon cuspourlesreseauxdecapteurssontB-MAC(Polastreetal.,2004),S-MAC(Yeetal.,2002),T-MAC(vanDametLangendoen,2003)etTRAMA(Rajendranetal.,2003).Il yaaussi beaucoupdetravauxsurlaconceptiondalgorithmesderoutagedesdonnees. Certainschercheursontrompuinitialementaveclusagedelinondationtraditionnelle(dite ooding), etontcommence`atravaillersurdesalgorithmesde gossiping( bavardage),quiconsiste`aappliquerunepolitiqueprobabilistepour decider si unnudrelayeoupasunpaquet quil are cu. Desalgorithmesdirectionnelsenutilisantlaroutelapluscourteoudesvariantes(laplusable, lamoinsco uteuseenenergie, . . .) ontegalementeteutilises. LadiusiondirigeeouDirectedDiusion(Intanagonwiwat ettel-00417505, version 1 - 16 Sep 200914Elargirleventaildapplicationspourlesreseauxdecapteurssanslal.,2000)estunbonexempledunalgorithmequia etelargement etudie.Il existedautresalgorithmesqui visentlagenerationduneepinedorsale(backbone)pourredirigerdesmessagesverslepuits, tel estlecasdeSmartBone(ChuangetChen, 2007)etletravail de(Leeetal.,2007b).Unautreensembledetravauxa eteconsacree`alorganisationdenudsengroupesouclusters,avecelection dun nud matre qui est responsable de la fusionet du routage de messages. La fusion de donnees(ouagregationdesdonnees)estlunedestechniqueslesplusutiliseespourreduirelachargedesnuds,et obtenir deseconomies denergie. Sur soncheminvers lepuits, il est tr`es probablequeles donneesprovenantdedeuxnudsprocheslundelautrevontpasserparunmemenudintermediaire.Danscecas l` a, ce nud pourrait recueillir les informations provenant de ces deux sources, les fusionner, et creer unnouveaupaquetaveclesinformationsdedeuxsources.Cesyst`emepourrait etre etendutemporairementet quelques nuds intermediaires pourraient recueillir plusieurs mesures avant decreer lepaquet quifusionnetoutescesinformationsavantdetransmettrelesresultatsdelafusionverslapasserelle.Pourobtenirencoreplusdeconomiesdenergie, cesdonneesfusionneespourraientetrerepresenteesparunequantitedinformationspluspetiteenappliquantunalgorithmedecompressioncon cupourlesdispositifslimitesenressources,commeparexemplelecodageparordonancement (CodingbyOrdering)proposepar(Petrovicetal.,2003)oulacompressionPipelinedIn-Networkde(Aricietal.,2003).Enresume,ilyaungrandnombredepropositionsdansledomainedesreseauxdecapteurssansl.Neanmoins, letat de developpement de la recherche dans les reseaux de capteurs en est encore `a un stadeprimaireetlaplupartdesprobl`emesidentiesrestentouverts.Laconceptiondesmaterielsaencoreunlongchemin`aparcourirpourobtenirdescomposantsmoinsconsommateursdenergie, detaillemicroscopiquevoirnanoscopique, desbatteries, desmateriauxinno-vants,. . .Entermesdeprotocolesdecommunicationetdetechniquesdetraitementdesdonnees,ilyaaussi beaucoup de travail `a faire. Bon nombre des articles publies consid`erent des scenarios tr`es simplies,ennegligantsouventdesfacteursimportantsdelarealite. Il yaunefortenecessitepourlesprotocolestolerantsauxfautesetunegestionecacedelenergie(Kahnetal.,2000;Stankovic,2004;AboelazeetAloul,2005).Lelargissement de leventail de possibilites pour les reseaux de capteurs est aussi un probl`eme latent.Aucoursdesderni`eresannees, unnouveaudomainedapplicationaattire`aungroupedechercheurs,motivesparcenouveaude:lesapplicationsbaseessurdesreseauxdecapteursdimages.1.2 VerslesreseauxdecapteursdevisionLedeveloppementdesmicrocamerasetmicrophonesaobserveuneforteevolutionaucoursdeladerni`eredecennie,aveclesevolutionsdestelephonesmobiles.Cesdispositifsdeviennentdeplusenpluspetitsetbonmarche, etfournissentdeplusenplusdeperformancesentermesderapiditeetdequa-litedusignal. Jusqu` ail yaquelquesannees, lusagedunappareil photoimpliquaitlaconnexiondunperipheriqueattacheautelephonemobile, oulaugmentationconsiderabledelatailledelappareil. Au-jourdhui, nous trouvons ces micro-cameras embarquees dans pratiquement tous les telephones cellulairesetlesassistantsnumeriquespersonnels,sansaugmentationsignicativeduco utdelequipement,desonpoidsetdesaforme.tel-00417505, version 1 - 16 Sep 20091.2Verslesreseauxdecapteursdevision 15Les reseauxsans l nont paseteendehors deceprogr`es et aujourdhui, nous pouvons dej` avoirlesresultatsdesderni`eresavanceesdemicrophonesetmicro-camerasCMOS,souslaformedecartesdecapteurscompatiblesavecdesnudssansl,telsqueceuxdej` apresentesaudebutdecetteth`ese.Celaa permis denvisager concr`etementun nouveau type dapplicationsutilisantdes reseauxdecapteurssansl multimedia(Akyildizetal.,2007;Misraetal.,n.d.).1.2.1 ApplicationsParmi lesnombreusesapplicationspotentiellesdesreseauxdecapteursmultimedia, cellesutilisantdescapteursdimagesont appreciables pour tout cequi concernelareconnaissance, lalocalisationetle denombrement dobjets par la vision. Certaines applications ont besoindidentier exactement leoulesobjetsqui traversentlechampdureseaudecapteurs. Celecasparexempledanssurveillancesenvironnementales comme detude ducomportement des oiseaux, o` uil faut reperer qui entreet sortdunid, oucombiendoeufsil yadanslenid. Cereperagenestpossiblequ`ataverslaprisedimages.Dautres applications nont pas besoin directement dimages, mais la prise dimage peur servir `a completeret enrichir les mesures initiales. Lasurveillance des feuxde foret enconstitue unexemple. Ce typedapplication collecte des mesures de temperature pour detecter les departs de feux, mais la prise dimageva aider `a avoir une idee plus precise de la situation pour se rendre compte de limportance de lincendie etde lincidence du vent. Dans les cas mentionnes, les mesures de donnees scalaires vont nous aider `a obtenirunecertaineideedecequilsepassesurleterrain,maislavisualisationdirectedimagespermettrauneclassicationplusecaceduphenom`ene etudie.Enfonctiondesexigencesimposees`alapplication,etbienevidemmentenfonctiondutypedetech-nologiedisponible,lesreseauxdevisionpeuvent etrededeuxtypes:Reseauxdecapteursdimagesxes: Descapteursdimagesnumeriquespeuventprendredespho-tosqui peuventetrememoriseesenformatmatriciel ouvectoriel. Cetypedecapteurestfacile`arealiser et peutetreadaptefacilement `adesdispositifsavecdesressourceslimitees, telsquelesnudsdecapteurssansl.Reseauxdecapteursdevideo: Des capteurs dimages numeriques peuvent aussi envisager de prendredessequencesdimagesetdetransmettreleuxvideoverslepuits. Cetteapplicationexigedesnuds avecdes capacites decalcul, dememoireet decommunicationduntout autreordredegrandeur que pour les images xes. Les sequences dimage doivent etre compressees fortementpoursatisfaire`alacontraintedebandepassantedesliasonssansl.Cesapplicationsconsommentnecessairementunequantitedenergiebiensuperieure`acellesutilisantdesimagesxes.Enraisondeladicultequecomportelatransmissiondunuxvideo,laplupartdesprototypesdecapteursdimagessontdediesauximagesstatiques.1.2.2 SpecicitesdesreseauxdecapteursdevisionBienevidemment,lestravauxsurdesimagessontdierentsdestravauxsurdessignauxnumeriquesouanalogiquesplussimples, commeceuxdespremiersreseauxdecapteurs. Cesdierencessont duesevidemment`alacomplexitedusignalcapture.Eneet,tandisquepourlecodagedunsignalsimpletelqueleniveaudetemperatureoulapressionbarometrique, unoudeuxoctetssontsusants, lecodagetel-00417505, version 1 - 16 Sep 200916Elargirleventaildapplicationspourlesreseauxdecapteurssanslduneimagenumeriqueconduit`alemploideplusieurscentainesoumilliersdoctets.Cettedierencedegrandeuradesconsequencessurdierentsfacteurs: capturedusignal, besoinsenmemoire, traitementdusignalettransmissiondedonnees.Capturedusignal: La complexite du materiel est multipliee par rapport aux captures de phenom`enessimples. Eneet, uncapteurdecameraCMOSestnormalementcomposedenombreuxcapteursphoto-sensibles que capturent les dierentes intensites pour chaque pixel. Tandis que pour la capturedunsignal delumi`ereunseul photo-capteur est susant, pour capturer uneimagenous avonsbesoindebeaucoupplus (normalement unpar pixel). Cetteevidenceentraneavecelleunco utsupplementaireen energieetentempsdecapture.Besoinsdememoire: Commenouslavonsdit,tandisquepourlecodagedunsignalsimplesollicitequelques bits dinformation (de 1 a 8 octets, en fonction de la precision du capteur), le codage duneimagenumeriqueconduit`alemploi deplusieurscentainesoumilliersdoctets. Enparticulier, laquantite de memoire necessaire dependprincipalement de deuxfacteurs cles : Laresolutiondelimageetleformat. Eneet, uneimagede128 128pixelsutiliseraenprincipe4foisplusdememoirequuneimagede64 64.Maintenant,enfonctionduformat,uneimagepeut etreennoiretblanc,enniveauxdegrisouencouleur(Schettinietal.,2003).Enprincipe,leformatdenitlenombre de bits necessaires pour coder un pixel (une intensite capturee par lun des photo-capteurs).Uneimageenniveauxdegrisestnormalementcodeesur8bitsparpixel (designe8bpp), memesi cetter`eglenestpasobligatoire. Pourcoderunpixel encouleur, nouspouvonslefairesurtroisplansenutilisant, soituncodageRGB(Red,Green,Bleu),soituncodageYCrCb.Ceciimpliquenormalementlutilisationdunoctetparplandecouleur(24bpp).Traitementdusignal: Danslesapplicationstraditionnellesdevision,ilestcommundevouloirfairedestraitementssurlesimages`alasource,andextraireuneinformation(parexemple:lempla-cementoulaclassicationdunobjet), oudecompresserlimageandediminuerlaquantitededonnees necessaires pour la representer. Alors que ces traitements sont aises `a mettre en uvre dansdes dispositifs informatiques dotes de beaucoup de ressources, comme les ordinateurs portables et lesassistantsnumeriquespersonnels,comptetenudescapaciteslimiteesdesmaterielsutilisesdanslesreseaux de capteurs, le traitement dimage `a la source devient tr`es dicile. Les temps de calcul sontconsiderablementaugmentesetlenergieinvestieestparfoisplusimportantequecelle economisee.Transmissiondedonnees: Comme le transcepteur radio est lun des composants les plus gourmandsen energie, les protocoles de communication ont un r ole important a jouer pour faire des economiesdenergie. Dans les applications traditionnelles (par exemple : la temperature ou le mouvement), onpeut envisager denregistrer plusieurs mesures et les embarquer dans un seul paquet pour augmenterle rendement de la communication. Une des technique les plus utilisees est la fusion de donnees. Celaestpossibleparcequelesmesuresdesdierentscapteurssontgeneralementcodeessurpeudebitset nous pouvons creer de paquets combinant des informations provenant de plusieurs sources. Danslecasdesimages, lafusiondedonneesnestpluspossiblepuisquelesimagessonttransmisessurplusieurs centaines ou meme milliers de paquets. Toutefois, les images naturelles ont des correlationsspatialesassezmarqueesetparconsequentlatransmissiondimages(etcelaseproduitegalementavec la transmission de la voix) ore une certaine tolerance aux pertes de paquets. En eet, on peutreconstruireuneversionaproximativedelimageoriginalememesiunepartiedesinformationsesttel-00417505, version 1 - 16 Sep 20091.2Verslesreseauxdecapteursdevision 17perdue dans le reseau. Ces correlations spatiales sont exploitees dans les algorithmes de compression,maisencontrepartie,lesimagescompresseesperdentleurtoleranceauxpertesdepaquets.1.2.3 Desdaujourdhui enmati`erederechercheLavisionestcertainementlesenslepluspuissant,maisaussilepluscomplexe(Horn,1986).Commenous lavons dit, les dicultes typiques sur les syst`emes de vision, generalement associes `a des probl`emesde traitement `a co ut eleve, pourraient etre multiplies lorsque nous devons faire face `a denormes limitationsenressources, commedansledomainedesreseauxdecapteurssansl. Audel`adesdestraditionnelsdes reseaux de capteurs sans l (Kahn etal., 1999; Aboelaze et Aloul, 2005), les applications des reseauxdecapteursdimagesposentdesdesparticuliers.Apartlesdesspeciques`alaconceptiondesmateriels,nousidentionsdanslechampdesreseauxdecapteursdevisiondesdesanalogues`aceuxclassespar(Stankovic,2004):Desprotocolesdetransmissionetdesalgorithmesdecompressiondimagesdumondereel:Laplupartdespropositionsactuellessontevalueessoitparanalysemathematique, soitparsimu-lation. Elles consid`erent des hypoth`eses simpliant `alextr`eme le mode de communicationdescapteurs, latopologiedureseau, lepositionnementdesnuds, lescaracteristiquesdesnuds, . . ., Ceshypoth`esessontnecessairespoursimplierlesmod`elesmathematiquesetlesmod`elesdesi-mulationutilisespourevaluerlesperformancesdespropositions. Touteslesapprochespresententdexcellentsresultatsparanalysemathematiqueet/ousimulation, maisqui ya-t-il delarealite ?Lundesprincipauxdespourlesreseauxdecapteursdevisionestdeproposerdesmethodesdecompressionetdecommunicationreellementapplicables,doncvalideessurdesplateformesreelles.Parexemple, lacompressiondimagesselonlanormeJPEG2000aetelargementdiscuteedanslabibliographiedesreseauxdecapteursparsesindeniablesqualites, endepitdesacomplexite. Audebut, lidee que le co ut du traitement etait negligeable prevalu, mais cette armation est certaine-menterronee(WuetAbouzeid,2004b;Ferrignoetal.,2005).Pourlaplate-formementionneedans(Ferrignoetal.,2005),JPEG2000napasdonnedebonsresultats.Quoiquilensoit,lafaisabilitedeJPEG2000oudautrestechniquesdecompressionbienconnuesvadependredescapacitesdescomposants. Lavalidationdesmod`elesetdesparam`etressurdesplates-formesreellesdoitdoncetreencouragee.Tempsreel: Letempsreeldanslesreseauxdecapteurssansla etelargementdiscutedanslabiblio-graphie(Ohetal.,2006;Heetal.,2007).Certainesapplicationsdesreseauxdecapteursdevisionsontsoumises`adescontraintesdetempsreel, etparconsequent, lamiseenplacedemecanismestempsreelestnecessaireaussibienentraitementdimagesquenprotocoledecommunication.Gestiondelenergie: Comme les noeuds ont par principe une source denergie tr`es limitee, la gestiondelenergieestleprobl`emefondamentaldelarecherchedanslesreseauxdecapteurs.Ceprobl`emeest amplie dans le cas des reseaux de capteurs de vision puisque les images forment des gros volumesde donnees. Prenons lexemple suivant : (Shnayder etal., 2004) ont evalue la puissance consommeeetletempsdexecutiondunmoteMica2deCrossbow. IlsnotentqueletranscepteurradiodunMica2 consomme un courant de 3.72mA pour transmettre un octet `a -20dBm (ce qui correspond `a lapuissanceminimaledetransmission),etcelaprendenviron4.992E-004secondes.CommeleMica2estalimenteavecunetensionde3V, nousavonsuneconsommationdenergiede5,6Jparoctettel-00417505, version 1 - 16 Sep 200918Elargirleventaildapplicationspourlesreseauxdecapteurssansltransmis.Maintenant,pourtransmettreuneimagede128 128pixels,laconsommationdenergieestdenviron91mJsanscompterlesen-tetesdepaquetsetleschampssupplementaires`ainsererdans les paquets (numero de limage, oset des donnees, . . .). De plus, le co ut de la capture dimagenestpasnegligeable, il co uteapproximativement90mJpourunecameraCyclopsattachee`aunmoteMica2.Celaestsuperieurdeplusieursordresdegrandeursauco utdunemesuredelumi`ere.Les capteurs dimages vont donc consommer beaucoup plus denergie que les capteurs traditionnelsetdonc,vontsepuiserplusrapidement.Abstractionsdelaprogrammation: Les des sont les memes que pour les reseaux de capteurs sansl traditionnels. Lesdeveloppeursontbesoindoutilsetdebiblioth`equesdeprogrammationandeviterlexplorationdelamiseenuvredemultiplesniveaux.Securiteetcondentialite: La surveillance pour limage est le mode de surveillance le plus intrusif quisoit. Les communications dans les reseaux de capteurs sans l doivent faire face `a des probl`emes desecurite parce que les nuds sont generalement deployes dans des zones ouvertes faciles dacces. Lesattaques pourraient etre realisees aussi bien dans le materiel (par exemple en capturant et en prenantle controle dun nud) que dans les communications (attaques sur le protocole de communication).Pourcela, desmecanismesdesecuritedoiventetreutilisesetadaptesauxcontraintesdesreseauxdecapteurssansl.Jusqu` apresent,laqualitedelimagenapaseteconsidereecommeuneexigenceessentielledanslesapplicationsdereseauxdecapteursdevision,maisseulementsouhaitable.Enfait,unegrandequantitede travaux consid`erent quil vaut mieux diminuer la qualite des images pour gagner sur la consommationdenergieetsurletempsdexecutionqui sontdescrit`eresprioritaires. Nouspouvonsciterparexemplelestravauxde(Chowetal.,2006).(Downesetal.,2006)ontexpliquecommentonpourraitobtenirdesinformationsutilespourcertainesapplicationsavecuncapteuroptiqueAgilentADNS-3060capabledeprendre des images de 3030 pixels seulement. Quoi quil en soit, le niveau minimal de la qualite dimagevadependredesapplications.1.3 Perim`etredenotretravailLestravauxmenesauCRANdansledomainedesreseauxdecapteurssontdemarresn2005.Cetteth`esetraitelecasdesreseauxdecapteursdimage. Nousallonsdetaillernosobjectifsscientiques, laplateforme que nous avons developpe pour les experimentations, ainsi que les outils que nous avons utilisespourles evaluationsdeperformances.1.3.1 ContextescientiqueLengouement pour les reseauxdecapteurs dimages nest apparuquetr`es recemment. Il concideaveclacommercialisationdemini-camerasentechnologieCMOS,consommantdonctr`espeudenergie,par exemple la camera ADCM-1650 chez Agilent Technologies ou la MT9V011 chez Micron. Ces camerasalimenteespardeuxpilesAA,peuventfonctionnerencontinupendantplusdunejournee ;desresultatsencore meilleurs ont ete obtenus par des prototypes de laboratoire (6 jours dans (McIlrath, 2001), 13 joursdans(Choet al., 2003)et4ansdans(CulurcielloetAndreou, 2006) ! !). Unecommunautescientiqueen reseauxdecapteursdimagescommence`aseformer, souslimpulsionduCenterforEmbeddedtel-00417505, version 1 - 16 Sep 20091.3Perim`etredenotretravail 19NetworkedSensing, UCLA, concepteurducapteurdimagesCyclops(Rahimi et al., 2005). Elleseras-semble`atravers lorganisationdeplusieursevenements, parmi lesquels : leWorkshoponDistributedSmartCameras5combine`alaconferenceACMSenSys,laconferenceICDSC20076,unesessionspeciale`alaconferenceIEEEICIP20077. Unnumerospecial danslejournal ComputerNetworksestparuennovembre2008surleth`eme WirelessMultimediaSensorNetworks.Audebutdeleth`ese,`alande2005,ilyavaittr`espeudetravauxdansledomainedesreseauxdecapteurs de vision. Les principaux pionniers sont le CENS (Center for Embedded Networked Sensing) delUCLA(LosAngeles),leWirelessSensorNetworksLabdelUniversiteStanfordetleSensorNetworksResearchGroupdelUniversitedeMassachusetts.Auniveaunational,ilnyapas`anotreconnaissancedetravauxpreliminairessurlatransmissiondesimagessurlesreseauxdecapteurs.Toutefois,ilfautnoterquunprojetdeplateformenationaleduCNRS,RECAP(REseauxdeCAP-teurs),ademarreen2004poursouteniretregrouperlesactivitesderechercheenFrancesurlesreseauxde capteurs. Les laboratoires partenaires sont le CITI (INSA Lyon, INRIA Rh one-Alpes), le LAAS (Tou-louse), leLIFL(UniversitedesSciencesetTechnologiesdeLille)etleLIP6(UniversitePierreetMarieCurie, Paris 6). Le CRAN est devenu en 2006 laboratoire-partenaire du projet CNRS RECAP. Nous par-ticipons aussi au projet ANR Jeunes chercheuses et jeunes chercheurs TCAP - Transport de ux videosurreseauxdecapteurspourlasurveillance`alademande-enassociationavecleLIUPPA(LaboratoireInformatiquedelUniversitedePauetdesPaysdelAdour).Ceprojet,quia eteselectionneautitreduprogramme2006delANR,ademarreenjanvier2007pourunedureede36mois.Notre contribution dans ce projet concerne principalement le codage et la transmission dimages souslacontraintedelaconsommationdenergieetdespertesdepaquets. Dautresaxesderecherchedeceprojet abordent lecontroledecongestion(Maimour et al., 2008), leroutagemulti-chemin(Maimour,2007;Maimour,2008)etledeveloppementdecomposantslogiciels(Louberryetal.,2007).1.3.2 PlateformeexperimentaleUneaidenanci`ereduCRAN,puisdelUniversiteHenriPoincaredanslecadredunBQR Projetsemergents- Jeuneschercheurs, nousapermisdacquerirlesmaterielsnecessairesaudeveloppementduneplateformeexperimentaledereseauxdecapteursdimages. Cetteplateformedunevingtainedenuds,acquiseprincipalementchezCrossbowInc.,estconstitueede: 16nudsMica2(MPR400)et6nudsMica2Dot, 3 cartes de capteurs MTS510 (pour Mica2Dot), 3 cartes de capteurs MTS310 et 8 cartes de capteursMTS300, unepasserelleMIB510,4passerellesMIB520etunepasserelleStargate(SPB400), 4camerasCyclops8fournitsparlasocietePentar,Inc.Les capteurs disponibles sur chaque carte sont resumes dans la table 1.2. La description des passerellesdisponiblesestresumedanslatable1.3.5http://www.iti.tugraz.at/dsc06/6http://www.icdsc.org/7http://www.icip2007.org8DistribuesparAgilentjusquennovembre2007.Aujourdhui,ellesnesontplusdisponiblepourlachat.tel-00417505, version 1 - 16 Sep 200920ElargirleventaildapplicationspourlesreseauxdecapteurssanslTab.1.2:QuelquescartesdecapteursdenotreplateformeCapteur MTS510 MTS300 MTS310 CyclopsAccelerometre(2axes)Photoresistance Champmagnetique Microphone ThermistanceCapteurdimage Tab.1.3:PasserellesdenotreplateformeMIB510 MIB520 SPB400(Stargate)Description Carte de Programma-tion/PasserelleCarte de Programma-tion/PasserelleSyst`eme informatique em-barque(Linux)pourlapro-grammationdecapteurs, larealisation de taches et le re-layagedinformation.ConnecteurspourmotesMica2,Mica2Dot,MicaZ Mica2,MicaZ Mica2,MicaZ.Connecteurspour cartes decapteursCapteurs Mica (MTS, . . .),cameraCyclopsNo NoPortes de com-municationRS-232 USB RS-232, USB, CompactFlash,etPCM/CIA1.3.3 MesuredelaconsommationdenergieetdutempsdexecutionPourmesurer lesperformances de nos applicationsentermes de consommationdenergieetde tempsdexecution, nous avons utilise le banc dessai illustre dans la gure 1.4. Ce banc dessai permet de mesurerla puissance consommee par le capteur en fonction du temps, pour la duree dun cycle basique dexecution,qui comprendlacapture dune image, le traitement des donnees, lapaquetisationdes donnees et latransmissiondespaquets.Danslebancdessai,uneresistancedepetitevaleur(RI= 1)estconnecteeen serie avec le Dispositif Sous Evaluation(DSE, cest-a-dire, notre nud capteur dimage compose dunmote Mica2 et une camera Cyclops), et une alimentation delivrant une tension continue. Les tensions surlalimentation(V1 3Volts)etcellesurlaresistance(V2)sontrecupereestoutesles0.5msenutilisantunoscilloscopenumeriqueAgilent54622A.DescalculssimplesdonnentlecourantquicirculeatraversleDSEet,`apartirdecela,lapuissanceconsommeeinstantanee(PenWatts).Alinstantt,P(t)estdonnepar:P (t) =[V1 (t) V2 (t)] .V2 (t)RI(1.1)donc,laquantitedenergieconsommeeparleDSE(EenJoules)entrelesinstantsTAetTBestcalculecomme:tel-00417505, version 1 - 16 Sep 20091.3Perim`etredenotretravail 21V1V2VCCRIDSE(a)Mod`eledebasedubancdessai. (b)Vuedubancdessai.Fig.1.4:Bancdessaiutilisepourlesmesuresdeconsommationdenergieetdutempsdexecution.E=_TBTAP (t) .dt (1.2)Un exemple de trace enregistree est montre gure 1.5. Cette trace illustre un cycle de travail dun nudde capteur executant la capture dune image de 3232 pixels, une compression `a 6bpp et la transmissiondespaquetsavecunepuissancedetransmissionde-20dBm. Lesignal observeesttr`esrepresentatif detoutes les traces obtenues pendant nos experimentations. Dans unepremi`erephase, unaugmentationrapidedelapuissanceconsommeesignaleletapedecapturedelaimage.Nousobservonsquelacapturede limage (avec unMica2connecte) est gourmande entermes de puissance consommee. Lacameraconsomme une puissance denviron92.69mWpendant lacapture, qui dure approximativement 0.97secondes,cest-` a-dire,unco utdenergiedenviron90.64mJ,parcapture.Nousavonsnotequelenergieconsommee pour la capture dimage ne varie pas de mani`ere signicative par rapport `a la dimension ou auxcaracteristiquesdelimage.Apr`eslacapturedelimage,nouspouvonsreconnatreletapedetraitementet detransmissiondes donnees par paquets. Dans latracedelagure1.5, nous pouvons clairementidentierlatransmissionde29paquetsobtenuscommeleresultatdelacompression`a6bpp(separespardesinterruptionsdusyst`eme).Letempsdexecutionutilisepourletraitementetlatransmissiondesdonnees est denviron1.5 secondes, et la consommationdenergieest denviron112 mJ. Commeresultat,uncycledexecutioncompletpourcetteapplicationen evaluationdureapproximativement2.5secondesetconsomme112 + 90.64 212mJ.1.3.4 Experimentation: PertesdedonneessuruneplateformereelleAn dobtenir des param`etres realistes pour la simulation et devaluer les performances de nos propo-sitions sous la contrainte des pertes de paquets, nous avons deploye un petit reseau compose dun puits etde 5 nuds de capteurs dont lun dentre eux est un capteur dimage. La topologie du reseau est visualiseegure1.6.La capture et la transmission des images sont realisees gr ace aux exemples dapplicationscaptureRadioTest/MoteRelayetMoteRelay,con cuesdanslaversion1.xdulangagedeprogrammationNesC/TinyOS, et disponibles sur le dep ot CVS du rmware Cyclops (Center of Embedded Network Sen-sing, 2004).Le nud source (nud 1) est compose dun mote Mica2 et dune camera Cyclops connectee.tel-00417505, version 1 - 16 Sep 200922ElargirleventaildapplicationspourlesreseauxdecapteurssanslPouvoir(mW)100908070Temps(sec)0 0.5 1 1.5 2 2.5CapturedimageTraitementettransmissiondedonnees(29paquets)Fig.1.5:Tracedelapuissanceconsommeeparlecapteurpouruneapplicationsoustest.1m1m1m1m1m1m1mStationde base(0)Nud cam era (1)Nud(2)Nud(3)Nud(4)Nud(5)CompositiondelaTopologie: Station de base (0) : Station USBMIB520+moteMica2. Nud camera (1) : Mote Mica2 +cap-teur/cameraCyclops. Nud (2-5):MoteMica2.Fig.1.6:Topologieexperimentalepour lobtentiondetraces depertes depaquets dans unreseaudecapteursdimageLa camera Cyclops, programmee avec lapplicationcaptureRadioTest capture des images monochromesde128 128pixelscodeessur8bppetlesenvoieaumoteMica2jointe. Celui-ci, programmeaveclap-plicationMoteRelay, envoielespaquetsverslastationdebase(nud0)sansacquittement. LastationdebaseestcomposeedunmoteMica2connecteaunestationMIB520. LeMica2estprogrammeaveclapplicationGenericBase.Cetteapplicationestchargeederecupererlesdonneesquiont etere cuesparlaliaisonradioetdelestransmettre`alacarteMIBassociee.LacarteMIBestreliee`aunordinateurdebureau via le port USB qui recup`ere les messages re cus et les enregistre dans un chier pour exploitationfuture.LacommunicationestrealiseeselonlastructuredemessagesdebaseTOSMsg,utilisepardefautsur TinyOS1.x, et qui reserve 29 octets pour des donnees utilisateur. 2 octets sont reserves pour un entetedeni parlastructureserialDumpHeaders, qui indiquelenombrerestantdoctets`atransmettredanstel-00417505, version 1 - 16 Sep 20091.3Perim`etredenotretravail 23la sequence. On est donc capable de transmettre un nombre maximum de 27 octets de donnees utiles parpaquet.Andeforcerdesgrandespertesdanslereseau,onrajoutede1`a5unitesMica2additionnellesquigen`erentdutracdefondenenvoyantdespaquets`aintervalreguliercomprisentre20mset125ms.Lespertesobserveessurlestracescollecteesvariententre0et92%.Lestracesobtenuesserontutiliseespourlasimulationdepertesetlevaluationdespropositionsrealiseesdanscetteth`esedansleschapitres4et5.1.3.5 Probl`emesspeciques`aadresserLobjectif general de lath`ese est de developper des procedures de traitement et de transmissiondimages assurant uncompromis entre laqualite des images re cues et lenergie consommee pour lestransmettredebout-en-bout. Nospropositionscomprennentdesprotocolesdecommunicationpourlatransmissiondimagesecaceenenergieainsi quunemethodedecompressiondimagedefaiblecom-plexiteetrobusteauxpertesdepaquets.Noussommesconscientsquelaqualiteparfaitedelimagepourraitetreobtenuesi nousappliquonsunetransmissioncompl`etementable(avecparexemple,unprotocolebasesurdesaccusesdereceptionet des retransmissions), mais cela co ute cher en energie, ce qui nest evidemment pas souhaitable dans uneapplicationdereseauxdecapteurssansl.Dautrepart,siaucuntraitementnetaiteectue`alasource,et si aucun mecanisme pour garantir un certain niveau de abilite netait mis en uvre, nous negligerionsforcement la qualite de limage. Nous cherchons donc `a obtenir un compromis entre les ressources investiespour compresser et transmettre les images et la qualite des images reconstruites au niveau du destinataire.Plusprecisement,nousrecherchonsuncompromisentre: Letauxdecompression,sachantqueplusoncompresse,etmoinslimageseratoleranteauxpertesdepaquets, latoleranceauxpertes, sachantquemoinslimageesttoleranteauxpertesdepaquets, etplusleprotocoledecommunicationdevraassurerlacorrectiondecespertes, laconsommationdesressources, sachantquecompresserlimageetcorrigerlespertesdepaquetsco utedelenergie, laqualitedesimagesreconstruites.Eneet, lesdiversescontraintesauxquellessontconfronteslesreseauxdecapteurssontparnatureantagonistes.Noussavonsquelapplicationdunalgorithmequifournitunefortecompressionpeutnonpasseulementexigertropderessources(dansletapedetraitement)auniveaudelasource, maisaussiprovoquerunediminutiondrastiquedelatoleranceauxpertes(Noustouchonscesprincipesavecplusdeprofondeurdansleschapitressuivants).Bienevidemment,avecunefortecompression,lapertedunpaquet concerne laperte de beaucoupplus dinformations que laperte dunpaquet de donnees noncompresses. Dautrepart, bienquelatransmissionduneimagesanscompressionpeutetreuneoptionpossible, laquantitedenergieetdetempsinvesti (dansletapedetransmission)sera, enprincipe, pluseleve.tel-00417505, vers