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Optimisation centralisée et distribuée de la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil

by papa-cheikh-cisse

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Ceci est un travail de recherche qui représente un mémoire de master traitant des réseaux de capteurs sans fil. Ces derniers ont plusieurs domaines d'applications. Cependant, certaines contraintes telles que l'épuisement précoce des capteurs rendent difficiles leur conception. Ce travail a donc eu pour but, après avoir ressorti quelques généralités sur le sujet, d'étudier différentes techniques d'optimisation de la durée de vie d'un réseau de capteurs sans fil malgré les défaillances fréquentes des noeuds qui le composent.
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  • 1. é é éé ééé é
  • 2. D´dicaces e ` A Allah, Le Tout Puissant, par Qui le savoir a un sens,a` ma tr`s ch`re et brave maman Rokhaya Badiane, eea` mon d´funt et tr`s regrett´ papa Ibrahima Cisse, ee e a ` ma formidable famille, et ` toutes ces personnes sp´ciales qui ont, durant toutes ces ann´es, ´t´ mesae eeecompagnons de tous les jours et une deuxi`me famille pour moi. Ceux l` qui e an’ont cess´ de partager avec moi leur sympathie, leur chaleur, leur estime et leureindulgence.i
  • 3. Remerciements Je tiens a remercier en premier lieu M. Ousmane Thiare qui a accept´ de m’en-` ecadrer pour ce travail. Je lui dis merci pour la confiance qu’il m’a accord´e et poureses pertinentes id´es et fructueux conseils. Je remercie aussi M. Maissa Mbayeepour son coup de pouce et pour ses encouragements dont il m’a fait b´n´ficier.e e Ensuite tous mes sinc`res remerciements iront a tout le corps administratif ete`professoral de l’UFR de Sciences appliqu´es et de Technologies qui a assur´ mae eformation. Je lui suis, pour cela, tr`s reconnaissant. e Je remercie finalement, toute personne qui, de pr`s ou de loin, a contribu´ ` la eear´ussite de ce travail. e ii
  • 4. Liste des acronymesADCAnalogic to Digital ConverterASCENT Adaptive Self-Configuring sEnsor Networks TopologiesDARPADefense Advanced Research Projects AgencyGAFGeographic Adaptive FidelityGPSGlobal Positioning SystemIoTInternet of ThingsPDAPersonal Digital AssistantPEAS Probing Environment Adaptive SleepingQoSQuality of ServiceRdCSFR´seaux de Capteurs Sans Fileiii
  • 5. ivUAV Unmanned Air VehicleWINSWireless Integrated Network SensorsPr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 6. Table des figures2.1 Anatomie d’un noeud capteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2 Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil . . . . . . . . . . . . . 10 e2.3 Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans fil . . . . . . . 11 e2.4 Tracking vehicles with a UAV-delivered sensor network . . . . . . . 142.5 SIstema de Seguimiento y VIgilancia Ambiental . . . . . . . . . . . 162.6 Interfaces de contrˆle du syst`me . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 oe2.7 La plateforme Senslab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.1 Clusters dynamiques : (a) cluster C en un temps t1 . (b) clusterC en un temps t1 + d. Les noeuds marqu´s d’un mˆme symboleeeappartiennent au mˆme cluster. Les chefs de cluster sont repr´sent´seeepar un gros point. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.2 Perte d’´nergie dans le r´seau par rapport au nombre de chefs deeecluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 v
  • 7. Table des figuresvi 3.3 Exemple simplifi´ d’autoconfiguration d’un r´seau . (a) Trou deee communication. (b) Etat de transition. (c) Etat final. . . . . . . . . 42 3.4 Etats de transitions dans ASCENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.5 R´sistance aux d´faillances de nœuds . . . . . . . . . . . . . . . . . 49ee 3.6 Extension de la dur´e de vie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49e A.1 Anatomie du capteur TelosB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 8. Liste des tableauxA.1 Quelques capteurs et leurs fonctionnalit´s . . . . . . . . . . . . . . . 55eA.2 Quelques capteurs et leurs caract´ristiques techniques . . . . . . . . 55 evii
  • 9. Table des mati`res e1 Introduction 12 G´n´ralit´s sur les r´seaux de capteurs sans fil e e e e 42.1 Anatomie d’un noeud capteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62.2 Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil . . . . . . . . . . . . . e 82.3 Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans fil . . . . . . . 10 e2.4 Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil . . . . . 12 e e2.4.1 Applications m´dicales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12e2.4.2 Applications militaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4.3 Applications environnementales . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4.4 Applications domestiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4.5 Autres applications commerciales . . . . . . . . . . . . . . . 172.5 Les contraintes de conception et d’exploitation . . . . . . . . . . . . 182.5.1 La tol´rance aux fautes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18e2.5.2 Le passage ` l’´chelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 a eviii
  • 10. Table des mati`reseix 2.5.3 L’aspect coˆt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20u 2.5.4 Les contraintes mat´rielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20e 2.5.5 L’environnement et la topologie du r´seau . . . . . . . . . . 22 e 2.5.6 La consommation d’´nergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 e3 Techniques d’optimisation de la dur´e de vie e 25 3.1 La dur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans fil . . . . . . . . . . . 28 e e 3.2 Techniques centralis´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 e 3.2.1 L’algorithme de Berman et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.2 Les travaux de Zhang et Hou . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.3 Les travaux de Cardei et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3 Techniques distribu´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33e 3.3.1 Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy : LEACH . . . . 33 3.3.2 L’algorithme ASCENT : Adaptive Self-Configuring Sensor Networks Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3.3 Un protocole robuste de conservation d’´nergie pour les r´seauxe e de capteurs a longue dur´e de vie : PEAS ` e. . . . . . . . . . 444 Conclusions50A Anatomie du capteur TelosB et comparaison des fonctionnalit´s e de quelques autres (xbow) 53 A.1 Anatomie du capteur TelosB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 A.2 Comparaison des fonctionnalit´s de quelques capteurs . . . . . . . . 54ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 11. CHAPITRE 1 Introduction1
  • 12. 2es r´centes avanc´es de la micro-´lectronique et des technologies sans fil ontee eL acc´l´r´ le processus de miniaturisation des ´quipements. Le contrˆle et le ee eeosuivi des ph´nom`nes physiques deviennent alors beaucoup plus ais´s. De nou-e eevelles applications, autrefois dangereuses ou trop couteuses voire irr´alisables sonted´sormais possibles grˆce a de petits appareils ´lectroniques sans fils appel´s nœuds ea ` e ecapteurs. Ces derniers sont d´ploy´s dans un environnement et sont d`s lors ca- ee epables de recueillir diff´rents types de donn´es provenant de ce milieu, de les traitere eou de les acheminer en plus de pouvoir communiquer entre eux grˆce ` un dispositif a aradio dont ils sont ´quip´s. Lorsqu’ils sont utilis´s en quantit´ et de fa¸on colla-ee ee cborative, ils constituent un r´seau de capteurs et sont ` l’origine d’applicationse apouss´es dans le domaine militaire et dans celui de la m´decine entre autres. ee Dans la plupart des cas, il s’agit d’applications ` temps r´el dans des mi- aelieux o` l’acc`s est difficile et quelquefois impossible a l’homme. En effet, les cap- ue`teurs peuvent ˆtre d´ploy´s au fond de l’oc´an, dans un champ de bataille, etc.e ee eCeci fait qu’ils sont sans surveillance et qu’ils font difficilement l’objet de main-tenance. Ils sont aussi utilis´s en grand nombre et doivent, suivant leur usage,erespecter des sp´cifications li´es a la taille et a la consommation d’´nergie. En ef-e e `` efet, contrairement aux nœuds capteurs, d’autres ´quipements ´lectroniques commee eles t´l´phones portables, les PDAs, ou autres appareils ´lectroniques sont la plu- ee epart du temps sous la main de l’homme qui se charge de leur maintenance et deleur entretien. La batterie d’un t´l´phone portable, par exemple, est facilementeerechargeable apr`s ´puisement. Les nœuds capteurs aussi disposent d’une sourcee ed’´nergie assez limit´e mais ne b´n´ficient pas cependant d’une possibilit´ de re-ee e e echarge manuelle. Ces facteurs repr´sentent autant de contraintes auxquelles fontePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 13. 3face ces ´quipements rendant ainsi la plupart des algorithmes et protocoles, con¸us ecpour les r´seaux sans fil, inadapt´ aux r´seaux de capteurs. De nouvelles techniqueseeesont alors mises sur point afin de tenir compte des exigences des r´seaux de cap-eteurs sans fil li´es a leur coˆt, a l’anatomie des nœuds c’est-`-dire de type mat´riel,e `u `a emais aussi et surtout li´es a leur dur´e de vie. L’impossibilit´ d’une recharge ma-e ` eenuelle et le besoin d’assurer une longue dur´e de fonctionnement aux applicationsequi en d´coulent ont fait que plusieurs chercheurs se concentrent actuellement surela conception d’algorithmes qui tiendront en compte le facteur ´nergie pour les er´seaux de capteurs en optimisant leur dur´e de vie. ee Ce m´moire de master vient s’inscrire dans une logique d’´tude de quelques eetechniques d’optimisation de la dur´e de vie des r´seaux de capteurs sans fil. Il fait eeressortir des proc´d´s utilis´s pour r´duire la consommation d’´nergie des nœudse eeeecapteurs tels que la succession alternative des nœuds capteurs dans l’ex´cution desetˆches, l’organisation du r´seau en clusters, la division des nœuds en hi´rarchie a e eentres autres m´thodes de la litt´rature. Pour cela, nous avons, apr`s ce premier e eechapitre introductif, parl´ des g´n´ralit´s sur les r´seaux de capteurs sans fil auee e e edeuxi`me chapitre. Cela pour mieux les cerner. Ensuite, au troisi`me chapitre, e enous nous sommes concentr´s sur l’´tude de quelques techniques d’optimisation de eeleur dur´e de vie que nous avons s´par´es en techniques centralis´es et techniquese e eedistribu´es. Finalement, c’est au quatri`me et dernier chapitre que nous avons faite eune conclusion de ce travail et ouvert quelques perspectives.Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 14. CHAPITRE 2G´n´ralit´s sur les r´seaux de capteurs sans fil e e e e 4
  • 15. 5Sommaire 2.1Anatomie d’un noeud capteur . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil . . . . . . e8 2.3Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans efil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs e esans fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.4.1 Applications m´dicales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e12 2.4.2 Applications militaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 2.4.3 Applications environnementales . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4.4 Applications domestiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4.5 Autres applications commerciales . . . . . . . . . . . . . 17 2.5Les contraintes de conception et d’exploitation . . . . 18 2.5.1 La tol´rance aux fautes . . . . . . . . . . . . . . . . . . e18 2.5.2 Le passage ` l’´chelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .a e 19 2.5.3 L’aspect coˆt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .u 20 2.5.4 Les contraintes mat´rielles . . . . . . . . . . . . . . . . .e 20 2.5.5 L’environnement et la topologie du r´seau . . . . . . . . e22 2.5.6 La consommation d’´nergie . . . . . . . . . . . . . . . . e23Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 16. 2.1. Anatomie d’un noeud capteur6a micro-´lectronique a connu au cours de cette d´cennie une avanc´e fulgurantee eeL causant ainsi la miniaturisation progressive des ´quipements. Les r´seaux de e ecapteurs sans fil sont une cons´quence de cet essor. Ils sont de plus en plus am´lior´see eet sont dot´s d’une puissance de calcul sans cesse grandissante. Leur organisation een r´seau r´v`le toute leur utilit´ non seulement dans le milieu industriel, mili-ee eetaire, environnemental mais aussi dans la vie de chaque jour de l’homme. Ils sontd´ploy´s en grand nombre dans diff´rents milieux pour y effectuer diverses tˆches. eeeaCependant, ces capteurs de par leur taille, leur coˆt ou de par l’environnement udans lequel ils sont d´ploy´s peuvent pr´senter des difficult´s dans leur conceptioneeeeet leur exploitation. Nous allons, tout au long de ce chapitre, montrer comment est constitu´e la eplus petite entit´ d’un r´seau de capteurs sans fil a savoir le nœud capteur. Pour e e `cela nous allons discuter de son anatomie. Puis, nous passerons a l’architecture`d’un r´seau de capteurs sans fil, c’est-`-dire le r´seau constitu´ de ces petiteseae eentit´s. Ensuite, la section suivante exposera les diff´rentes applications qui sont eefaites des r´seaux de capteurs sans fil dans les domaines m´dicaux, militaires,e eenvironnementaux, domestiques et commerciaux. Enfin, nous clorons ce chapitreen faisant ressortir les contraintes qui peuvent se pr´senter ` la conception et ae a`l’exploitation d’un r´seau de capteurs. e2.1Anatomie d’un noeud capteur Un nœud capteur ou ”mote” en anglais est constitu´ d’´l´ments de telle sortee eequ’il peut a lui seul assurer les tˆches d’acquisition et de traitement de l’informa- ` aPr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 17. 2.1. Anatomie d’un noeud capteur 7tion. Il peut aussi communiquer avec les autres nœuds. Ceci fait que le capteur estconstitu´ de quatre composants de base :e – une unit´ d’acquisition g´n´ralement subdivis´e en deux sous unit´s que ee e e e sont les capteurs et les convertisseurs analogique-num´rique(ADCs)[LEH09]. e Les capteurs sont charg´s de d´tecter les caract´ristiques et les variationsee e du milieu ambiant. Ils sont utilis´s pour une grande vari´t´ de ph´nom`nes eee e e physiques (acc´l´ration, concentration chimique...). Ils r´pondent a une va- eee` riation des conditions d’environnement par une variation de caract´ristiques e ´lectriques. Ce sont ces variations d’ordre ´lectriques qui sont par la suite e e converties par les convertisseurs analogique-num´rique pour pouvoir ˆtre e e trait´es par l’unit´ de traitement[KAC09].e e – une unit´ de traitement qui est compos´e d’un processeur et d’un syst`me e ee d’exploitation sp´cifique. Elle acquiert les informations en provenance dee l’unit´ d’acquisition et les envoie a l’unit´ de transmission. Pour cela, elle est e ` e constitu´e de deux interfaces : une avec le module d’acquisition et une autre e avec le module de transmission. – une unit´ de transmission de donn´es ou encore module de communi- ee cation qui est responsable de toutes les ´missions et r´ceptions de donn´ese ee a travers un dispositif radio. C’est un composant classique utilis´ dans les ` e r´seaux sans fil.e – et une source d’´nergie constituant une composante cruciale d’un noeud ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 18. 2.2. Architecture d’un r´seau de capteurs sans file8capteur. Son rˆle est de stocker et de fournir l’´nergie n´cessaire au fonction-oeenement du noeud. Cependant il peut aussi jouer celui consistant a rassembler`l’´nergie du milieu externe pour pouvoir l’utiliser. Il s’agit souvent d’une pileeAA normale d’environ 2.2 - 2.5 Ah fonctionnant a 1.5 V. ` En plus de ces composants de base, il existe des noeuds capteurs dot´s d’autres eunit´s additionnelles comme un syst`me de localisation (GPS), une unit´ de mo-eeebilit´, etc. Il est pr´sent´ a l’annexe A sous forme de tableaux quelques exemples eee`de capteurs. Figure 2.1 – Anatomie d’un noeud capteur2.2Architecture d’un r´seau de capteurs sans file Dans la plupart des cas, les nœuds capteur sont utilis´s en grand nombre et ed´ploy´s de fa¸on tr`s dense dans un milieu. Ils sont capables de communiquer ee c eentre eux et sont donc utilis´s comme un r´seau d’´quipements sans fil. Indivi- ee eduellement, ils sont capables de collecter des donn´es de leur environnement, de eles traiter localement mais ils peuvent aussi communiquer entre eux pour achemi-Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 19. 2.2. Architecture d’un r´seau de capteurs sans file9ner l’information vers un poste central en utilisant leur dispositif radio. Chaquenœud capteur du r´seau est capable de transmission et de r´ception de donn´es. ee eEn g´n´ral, il existe dans le r´seau un ou plusieurs nœuds sp´ciaux appel´s nœuds-e ee e epuits ou ”sink”. Ces derniers poss`dent plus de ressources et de puissance que leseautres types de nœuds du r´seau et permettent, en plus de la r´cup´ration dese e edonn´es, l’interconnexion du r´seau de capteurs avec d’autres types de r´seauxe e e(Internet, satellite. . .). Dans un r´seau de capteurs, les nœuds peuvent ˆtre fixes eeou dot´s de syst`me de mobilit´ pour pouvoir se d´placer. L’environnement danse e eelequel sont d´ploy´s les nœuds est appel´ la zone d’int´rˆt. ee eee Dans un r´seau de capteurs sans fil, des points d’agr´gation peuvent ˆtre in-ee etroduits. Cela a pour but de r´soudre le probl`me de la consommation d’´nergiee ee[MAK08]. En effet, la communication entre les nœuds consomme beaucoup d’´nergie. eAinsi ceci a pour but de r´duire cette communication entre les nœuds en pri-evil´giant celle entre les points d’agr´gation. Pour minimiser la consommation eed’´nergie, un type de regroupement appel´ ”clustering” peut aussi ˆtre appliqu´.e e e eUn chef du cluster joue le rˆle d’un point d’agr´gation. Les nœuds sont organis´so eeen groupes, chaque groupe a un ”chef de cluster”. La communication au sein d’ungroupe doit passer a travers le chef, qui ensuite la transmet ` un autre chef du `acluster voisin jusqu’` ce qu’il atteigne sa destination, la station de base. aPr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 20. 2.3. Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans file 10 Figure 2.2 – Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil e2.3 Architecture en couches des r´seaux de cap- eteurs sans fil Du fait du grand nombre de fonctionnalit´s impl´ment´es dans les r´seaux de eee ecapteurs, l’architecture de ces derniers est particuli`rement complexe. L’architec-eture en couches dans les RdCSF comme dans les r´seaux en g´n´ral, veut r´duire ee e ecette complexit´ en d´composant les processus qui y sont mis a l’œuvre. Un tel e e `d´coupage permet au r´seau de traiter en parall`le les fonctions attribu´es aux e e eediff´rentes couches. e Cette architecture est repr´sent´e sur la figure 2.3 et tient compte des contrainteseeli´es au routage et a la consommation d’´nergie, int`gre la gestion des donn´ese ` e e egrˆce aux protocoles de routage de donn´es, permet la communication a moindreae`´nergie grˆce aux dispositifs sans fil, anime la collaboration des nœuds capteurs.e aLe d´coupage consiste en une couche physique, une couche liaison de donn´es, unee ecouche r´seau, une couche transport, une couche application ; un plan de gestionePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 21. 2.3. Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans file11 Figure 2.3 – Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans fil ede l’´nergie, un plan de gestion de mobilit´ et un plan de gestion des tˆches. e ea En fonction de l’usage qui est fait du r´seau de capteurs, diff´rentes types d’ou- e etils exploitant la couche application peuvent ˆtre d´velopp´s. La couche transporte eepermettra de maintenir le flux de donn´es. La couche r´seau pourra s’occuper du e eroutage des donn´es qui lui seront pr´sent´es par la couche transport. Puisque,eeeles nœuds capteurs sont aussi d´ploy´s en grand nombre, la couche liaison de eedonn´es se chargera d’´viter les collisions qui peuvent ˆtre dues aux communica-e e etions simultan´es. La couche physique, quant a elle, assurera les besoins non moinse`importantes de modulation, de r´ception et d’´mission. En plus de ces couches, les e eplans de gestion de l’´nergie, de la mobilit´ et des tˆches g`rent la consommatione e aed’´nergie, les d´placements et la distribution des tˆches entre les nœuds capteurs.e e aIls aident les nœuds capteurs ` coordonner les taches de d´tection et de limiter laa econsommation d’´nergie. ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 22. 2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans file e122.4Les diff´rentes applications des r´seaux dee e capteurs sans fil Un r´seau de capteurs peut ˆtre constitu´ de diff´rentes sortes de nœuds cap- eee eteurs capables de d´tecter diff´rents ph´nom`nes physiques tels que les ph´nom`nes eee e e esismiques, magn´tiques, thermiques, visuels, acoustiques entre autres. Ils sont de ece fait utilis´s pour contrˆler une large vari´t´ de conditions du milieu ambianteoeecomme [ASSC02] la temp´rature, l’humidit´, les d´placements des v´hicules, lae e eeluminosit´, la pression, les caract´ristiques du sol, le niveau de bruit, la pr´sence e e eou l’absence de quelques objets, la vitesse, la direction et la taille d’un objet. Les capacit´s de d´tection et de communication sans-fil de ces nœuds fait envi-eesager toute une nouvelle vague d’applications dans des domaines diff´rents. Dans ela suite, nous allons d´tailler l’usage qui est fait des capteurs dans les milieux de ela sant´, les milieux militaires, environnementaux, domestiques et dans quelques emilieux commerciaux.2.4.1 Applications m´dicalese Les applications des r´seaux de capteurs sans fils dans le domaine m´dical eepermettent dans les hˆpitaux de r´aliser la surveillance des patients, de faire la o ediagnostique, d’assurer normalement l’administration de m´dicaments. Elles per- emettent de surveiller dans d’autres milieux les d´placements et transformations edes insectes et autre animaux. Les r´seaux de capteurs sans fil y sont aussi uti-elis´s pour surveiller les patients et les m´decins au sein de l’hˆpital mais ´galement e e o epour faciliter l’´tude de la physiologie humaine. En effet, les donn´es physiologiques e ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 23. 2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans file e13collect´es par un capteur peuvent ˆtre conserv´es pendant une longue p´riode et ee e eutilis´es par la suite pour une consultation m´dicale [O+ 98].e e Les capteurs peuvent aussi surveiller l’´tat de sant´ des personnes ag´es[C+ 94, e e ˆ eC+ 95]. Ils ont non seulement l’avantage de permettre au m´decin de pouvoired´tecter assez tˆt les symptˆmes[N+ 98], mais aussi d’empˆcher l’alitement du pa- eo oetient, qui pourra vaquer ` ses occupations, lui procurant ainsi une meilleure qua- alit´ de vie pendant tout le traitement compar´e a celle qu’il aurait eue en milieu e e `hospitalier[BSIP00]. La faisabilit´ d’un tel syst`me m´dical est ´tudi´e en Grenobleeeeee(France) a travers le projet ”Health Smart Home” [NHR+ 00]. ` Les capteurs peuvent ´galement ˆtre implant´s dans le corps humain poure e econtrˆler les probl`mes m´dicaux comme le cancer et pour aider les patients a o e e`maintenir leur sant´. En implantant sous la peau des mini capteurs vid´o, on peut eerecevoir des images en temps r´el d’une partie du corps sans aucune chirurgie etependant environ 24h. On peut ainsi surveiller la progression d’une maladie ou lareconstruction d’un muscle. Un projet actuel consiste a cr´er une r´tine artificielle` eecompos´e de cent micro-capteurs pour corriger la vue [MAK08].e2.4.2Applications militaires La recherche militaire est l’un des principaux domaines utilisant la technologiedes r´seaux de capteurs sans fil. En effet, une grande partie de la croissance ra- epide dans la recherche et le d´veloppement des r´seaux de capteurs sans fil a ´t´e eeegarantie par des programmes financ´s par l’Agence am´ricaine pour les Projets e ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 24. 2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans file e14de Recherche Avanc´e de D´fense (DARPA), notamment grˆce ` un programmeee a aconnu sous le nom de ”SensIT” [KAC09]. Les r´seaux de capteurs peuvent ˆtre utilis´s pour la surveillance des champs deeeebataille et la traque de cibles. Ils fournissent ainsi des informations sur le nombre,le mouvement, l’identit´ des soldats, etc. Ils sont aussi tr`s utiles dans la gestion eedes munitions et des ´quipements des corps militaires[ASSC02]. En effet l’´tat des e emunitions des troupes peut ˆtre constamment surveill´ grˆce a des capteurs qui ee a `sont reli´s aux v´hicules ou aux armes et qui renvoient de temps en temps l’´tat e eede ces derniers. Un projet de l’Universit´ de Californie Berkeley[BC] consistait a suivre la e `trace des v´hicules militaires passant pr`s de capteurs parsem´s grˆce ` un drone e eea a”Unmanned Air Vehicle” (UAV). La figure 2.4 repr´sentent quelques images de el’op´ration qui a dur´ trois jours.eeFigure 2.4 – Tracking vehicles with a UAV-delivered sensor networkPr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 25. 2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans file e152.4.3 Applications environnementales Dans le milieu environnemental aussi, les r´seaux de capteurs gardent touteeleur importance. Les capteurs sont d´ploy´s en grand nombre et dans la pluparteedu temps dans des milieux hostiles a l’homme. Ceci permet leur utilisation dans `la lutte contre les feux de brousse. Ils peuvent d´tecter l’origine du feu ´vitanteeque celui-ci devienne incontrˆlable. Dans le milieu de l’agriculture, les r´seaux de o ecapteurs offrent aussi la possibilit´ de pouvoir surveiller les cultures. Ils fournissent een temps r´el des informations relatives au volume de pesticides dans les sols, a lae `vitesse de l’´rosion et au niveau de pollution de l’air. Diff´rentes sciences d’´tude de eeel’environnement font recours aux technologies des capteurs. Il peut s’agir d’´tudier eles mouvements des oiseaux, des petits animaux et des insectes ou de surveillerl’´tat de la r´colte et du b´tail, de contrˆler l’irrigation des terres ou mˆme de fairee e eoedes ´tudes a une plus grande ´chelle.e` e En Espagne, une entreprise qui commercialise des projets de protection de l’en-vironnement a d´velopp´ un syst`me de d´tection de feux de brousse en utilisant eee edes r´seaux de capteurs[Dim]. Ce syst`me a ´t´ r´alis´ sur une superficie de 210 e e ee e ehectares dans le nord du pays et a eu pour but de fournir ` diff´rentes organisationsaeune infrastructure de surveillance de l’environnement et la possibilit´ de recevoiredes alarmes d’avertissement. Les figures 2.5 et 2.6 servent a illustrer ce syst`me. `e2.4.4 Applications domestiques Avec la miniaturisation progressive, les capteurs sont de plus en plus int´gr´s e eaux ´quipements de la tous les jours. Les t´l´phones portables, les ordinateurs, leseeePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 26. 2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans file e 16 Figure 2.5 – SIstema de Seguimiento y VIgilancia AmbientalFigure 2.6 – Interfaces de contrˆle du syst`meoePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 27. 2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans file e 17fours a micro-ondes et mˆme les cl´s de voitures sont ´quip´s de capteurs. Dans` e e eela maison, l’aspirateur, le r´frig´rateur, la t´l´vision int`grent des capteurs. La e e ee edomotique fait usage des r´seaux de capteurs pour fournir dans les maisons, lesehˆtels ou les lieux publics des fonctions de confort (gestion d’´nergie, optimisation oede l’´clairage et du chauffage), de s´curit´ (alarme, vid´osurveillance, gardiennage) ee e eet de communication (commandes a distance, signaux visuels ou sonores). ` Quelques travaux [BBC10] ont consist´ ` l’utilisation des r´seaux de capteurs ea esans fil pour r´duire la consommation d’´nergie des appareils ´lectroniques de laee emaison. Les r´seaux de capteurs sans fil constituent aussi une brique de l’Internet deseobjets (IoT pour Internet of Things). Ce dernier repr´sente l’extension d’Internet eaux objets de la vie de tous les jours.2.4.5 Autres applications commerciales Quelques une des applications commerciales concernent la gestion des mat´riaux, ede l’inventaire, la surveillance de la qualit´ des produits, la construction de bureaux eintelligents, le contrˆle environnemental (climatisation, sonorisation, etc.) dans lesoentreprises, les jeux et les mus´es interactifs, l’automatisation et le contrˆle deseoprocessus dans l’industrie, etc.[ASSC02] Un syst`me de r´seau de capteurs sans fil peut ˆtre install´ pour contrˆler le fluxe ee e od’air et de temp´rature dans diff´rentes parties d’une pi`ce. On estime qu’une tellee e etechnologie peut r´duire l’´nergie de telle fa¸on a faire des ´conomies a hauteur deeec ` e `Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 28. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation 1855 milliards de dollars par an et une r´duction de 35 millions de tonnes de carbone e´mises [RAJ+ 00]. Dans la d´tection de voiture vol´es aussi, les capteurs sont d’uneeeegrande utilit´ car permettant en temps r´el de renvoyer la position g´ographique eeede la voiture a un nœud central.`2.5Les contraintes de conception et d’exploita- tion La mise en place et l’exploitation d’un r´seau de capteurs n’est pas sans dif-eficult´. Il existe des contraintes li´es a la conception de celui ci qui peuvent ˆtre ee ` ed’ordre multiple. La conception de protocoles et d’algorithmes doivent d`s lors enetenir compte pour ˆtre le plus optimal possible. Ces contraintes vont aussi influen-ecer l’exploitation du r´seau de capteurs sans fil. Nous d´taillerons ici quelques une eede ces contraintes, cependant cette liste n’est pas exhaustive.2.5.1 La tol´rance aux fautese La tol´rance aux fautes est l’aptitude d’un syst`me informatique ` accomplir sa e eafonction malgr´ la pr´sence ou l’occurrence de fautes, qu’il s’agisse de d´gradationseeephysiques du mat´riel, de d´fauts logiciels, d’attaques malveillantes, d’erreurs d’in-eeteraction homme-machine [A+ 06]. Les nœuds peuvent ˆtre sujets a des pannes dues e `a leur fabrication (ce sont des produits de s´rie bon march´, il peut donc y avoir des`e ecapteurs d´fectueux) ou plus fr´quemment a un manque d’´nergie. Les interactionsee ` eexternes (chocs, interf´rences) peuvent aussi ˆtre la cause des dysfonctionnements. eeAfin que les pannes n’affectent pas la tˆche premi`re du r´seau, il faut ´valuera e eela capacit´ du r´seau ` fonctionner sans interruption [KAC09]. L’exemple donn´e e aePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 29. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation 19dans [KPSV] montre un cas de tol´rance aux fautes dans un r´seau de capteurseesans fil.2.5.2Le passage ` l’´chellea e Dans un r´seau de capteurs sans fil, le nombre de nœuds d´ploy´s dans l’´tudeeee ed’un ph´nom`ne est g´n´ralement de l’ordre de centaines voire de milliers. En e ee eexemple, la plateforme Senslab [sen] met a disposition 1024 nœuds-capteurs r´partis `esur quatre sites en France ` savoir Grenoble, Lilles, Rennes et Strasbourg (cf. figure a2.7). Figure 2.7 – La plateforme Senslab De ce fait, les algorithmes et protocoles con¸us pour les r´seaux de capteursc esans fil doivent ˆtre a mˆme de s’adapter a ce nombre extensible de nœuds. Lese` e `applications des rdcsf doivent mˆme ˆtre capables de l’utiliser a leur avantage.e e `Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 30. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation202.5.3 L’aspect coˆ t u Par d´finition, un r´seau de capteurs sans fil consiste en un grand ensemblee ede nœuds capteurs. Suivant l’usage qui en est fait, un r´seau de capteurs peutecomporter jusqu’` des milliers de nœuds. Il s’en suit d`s lors que le coˆt d’unaeunœud capteur va fortement influencer celui de tout le r´seau. Clairement, le coˆte ude chaque nœud capteur doit ˆtre faible pour que celui du r´seau soit acceptable.eeIl est a noter aussi qu’en fonction de l’application, le nœud capteur peut ˆtre ` edop´ grˆce ` des ´quipements suppl´mentaires comme un syst`me de localisation, e a a ee eun composant de mobilit´ pour qu’il puisse ˆtre capable de d´placements ou un e eeg´n´rateur d’´nergie. Toutes ces unit´s additionnelles ont un coˆt suppl´mentaire. e e e eu eAinsi elles augmentent les fonctionnalit´s du r´seau de capteurs mais ´galement leeeecoˆt de celui-ci [ASSC02].u2.5.4 Les contraintes mat´rielles e Un nœud capteur est g´n´ralement compos´ de quatre composants basiques :e e eune unit´ de d´tection, une unit´ de traitement, un transceiver et une sourcee e ed’´nergie. Le plus souvent et en fonction de l’application, des unit´s additionnellese epeuvent ˆtre incorpor´es au capteur. Il s’agit d’un syst`me de localisation, d’uneeeg´n´rateur d’´nergie et d’une unit´ de mobilit´ pour la plupart du temps. D`s lors, e e ee eela difficult´ est que tous ces composants doivent ˆtre ajust´s a l’int´rieur d’un dis-e e e ` epositif de la taille d’une boite d’allumette. Pour certains usages, le nœud capteurdoit avoir une taille plus petit qu’un centim`tre cube et peser assez l´ger pour e epouvoir ˆtre suspendu. Compte tenu des fonctionnalit´s toujours extensibles, cese econtraintes de taille et de poids viennent s’ajouter aux difficult´s li´es a la concep-e e `Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 31. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation 21tion d’un r´seau de capteurs sans fil [AV10]. eLes contraintes dues a la taille des nœuds rendent la capacit´ de stockage ` ed’´nergie assez faible. Par exemple la quantit´ totale d’´nergie stock´e dans une eeenœud smartdust 1 est de l’ordre de 1 J [PK00]. Pour les syst`mes WINS [VWPK00],ela moyenne d’´nergie ne doit pas d´passer 30 µA pour esp´rer une longue dur´e ee eede vie du syst`me.eCependant, bien que les avanc´es technologiques permettent de plus en plus eune grande puissance de calcul dans de petits ´quipements a des prix d´risoires,e ` ela puissance de calcul des nœuds capteurs actuels est significativement plus petiteque celle de plusieurs autres syst`mes embarqu´s ` cause de la taille et du prix.e e aPar exemple, les premiers dispositifs tels que le nœud smartdust avaient un mi-crocontrˆleur Atmel AVR 8535 de 4 MHz, une m´moire flash de 8 KB, une RAMo ede 512 octets et une m´moire morte EEPROM de 512 octets aussi. Ces capacit´se eont ´t´ accrues avec les nœuds SunSPOT et Imote2. SunSPOT est ´quip´ d’uneeeeprocesseur 32 bit ARM920T de 180 MHz, d’une RAM de 512 KB et d’une m´moireeflash de 4 MB. Imote2 dispose quant a lui d’un microcontrˆleur Marvell PXA271 `oXScale de 416 MHz, une SRAM de 256 KB, d’une m´moire flash de 32 MB eted’une SDRAM de 32 MB. Il apparait clairement alors que les capacit´s des nœudsecapteurs vont augmenter, toutefois, ces valeurs fournies ne repr´sentent rien com-epar´es aux capacit´s d’autres types de syst`mes embarqu´s comme les PDA ou eee e 1. Smartdust est un syst`me de nombreux petits appareils micro-´lectrom´caniques commeeeeles capteurs, les robots ou d’autres ´quipements, qui peuvent par exemple d´tecter la lumi`re, laeeetemp´rature, la vibration, le magn´tisme ou des produits chimiques ; qui g´n´ralement commu-eee eniquent sans fil, et qui sont r´partis sur une certaine espace pour effectuer des tˆches de d´tection.ea eC’est un concept introduit par la DARPA.Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 32. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation22les smartphones [AV10]. Par cons´quent, les applications des r´seaux de capteurse eainsi que les protocoles con¸us doivent tenir compte de ces contraintes mat´rielles.ce2.5.5 L’environnement et la topologie du r´seaue Les nœuds capteurs sont d´ploy´s au sein du milieu ` observer ou assez procheeeade celui-ci. Ce milieu est la plupart du temps difficile d’acc`s a l’homme. Ceci faite `que les capteurs sont habituellement dans des r´gions ´loign´es et sans surveillance. ee eIls peuvent se trouver [ASSC02] : – au fond de l’oc´an,e – a l’int´rieur d’une tornade, `e – dans un champ contamin´ biologiquement ou chimiquement, e – dans un champ de bataille au-del` des lignes ennemies, a – attach´ a des animaux, e` – etc.Cette liste nous donne une id´e de l’environnement dans lequel les nœuds capteurs esont embarqu´s.e La topologie du r´seau est aussi un facteur ` prendre en compte dans la concep-eation du r´seau de capteurs sans fil. En effet, le grand nombre de capteurs qui sont edans des milieux inaccessibles et donc sans surveillance ni maintenance est d`s lors esujet ` de fr´quentes d´faillances. Cela entraine une modification p´riodique de laae e etopologie du r´seau de capteurs.ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 33. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation232.5.6 La consommation d’´nergiee Dans les r´seaux de capteurs, l’´nergie est tr`s importante car elle est rare. e e eLe nœud capteur ´tant un ´quipement micro-´lectronique est muni d’une sourceeeed’´nergie limit´e. Or contrairement aux ordinateurs portables et aux ´quipementsee ede poche comme les t´l´phones portables qui b´n´ficient d’une constante attentionee e eet maintenance, les capteurs par leur grand nombre, mais aussi par le fait qu’ilssont la plupart du temps parsem´s dans des milieux hostiles ` l’homme, ne peuvent eapas faire l’objet d’une recharge manuelle. Bien que certaines techniques de collected’´nergie dans l’environnement existent, la consommation d’´nergie demeure l’uneeedes contraintes majeures dans l’exploitation des r´seaux de capteurs sans fil. Eneeffet ce challenge est au cœur de toutes les autres contraintes et influence la concep-tion de tout le syst`me [R+ 06].e Dans un r´seau multi saut, le nœud joue le double rˆle de source de donn´ese oeet de routeur. Le dysfonctionnement de quelques nœuds pourrait causer d’im-portantes modifications dans la topologie et pourrait n´cessiter un autre routageedes paquets en plus de la r´organisation du r´seau. De ce fait, la conservation e eet la gestion de l’´nergie prennent une importance suppl´mentaire. C’est pour eeces raisons que plusieurs chercheurs se concentrent actuellement sur la conceptiond’algorithmes et de protocoles qui tiendront en compte le facteur ´nergie pour leser´seaux de capteurs. e Dans d’autres types de r´seaux sans fil, la consommation d’´nergie est une e econtrainte importante mais pas la contrainte majeure, simplement par le fait queles sources d’´nergie peuvent ˆtre remplac´es lorsqu’elles sont ´puis´es [ASSC02].e e e eePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 34. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation24Dans ces r´seaux, l’accent est plus port´ sur la qualit´ de service (QoS). Cependante eedans les r´seaux de capteurs, l’´nergie est une importante mesure de performance.e eAinsi, les protocoles peuvent ˆtre con¸us en compromettant d’autres mesures dee cperformance telles que le d´lai ou la bande passante. e La tˆche principale d’un nœud capteur est de d´tecter des ph´nom`nes phy- a e e esiques, de faire un traitement local et de transmettre de l’information. Toutes cestrois requi`rent de l’´nergie, faisant que la consommation d’´nergie d’un nœud cap- eeeteur peut ˆtre subdivis´e en celle n´cessaire pour la d´tection, une autre n´cessaireeeeeepour le traitement local et une derni`re n´cessaire pour la communication. De eetoutes ces tˆches, c’est dans l’ex´cution de cette derni`re que le nœud capteura e econsomme le plus d’´nergie. Ceci concerne aussi bien la r´ception que la transmis- e esion de donn´es.ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 35. CHAPITRE3Techniques d’optimisation de la dur´e de vie e25
  • 36. 26Sommaire 3.1La dur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans fil . . . . 28e e 3.2Techniques centralis´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30e 3.2.1 L’algorithme de Berman et al. . . . . . . . . . . . . . .30 3.2.2 Les travaux de Zhang et Hou . . . . . . . . . . . . . . .31 3.2.3 Les travaux de Cardei et al. . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3Techniques distribu´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 e 3.3.1 Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy : LEACH . 33 3.3.2 L’algorithme ASCENT : Adaptive Self-Configuring Sen- sor Networks Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 3.3.3 Un protocole robuste de conservation d’´nergie pour lese r´seaux de capteurs ` longue dur´e de vie : PEAS . . .ea e44Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 37. 27 l est a noter que les r´seaux de capteurs sans fil ont beaucoup de similitudes `eI avec les r´seaux ad-hoc sans fil. En effet ces deux types de r´seaux sont tous dese er´seaux sans infrastructure, ont une architecture d´centralis´e, utilisent les ondes e e eradio pour communiquer et sont autonomes. De ce fait, la conception de proto-coles et d’algorithmes pour les r´seaux de capteurs peuvent prendre en compte les epropri´t´s des r´seaux ad-hoc.eee Cependant, les r´seaux de capteurs pr´sentent aussi beaucoup de fonctionna- eelit´s qui leur sont sp´cifiques et donc non pr´sentes dans les r´seaux ad-hoc. Ce eee esont ces fonctionnalit´s qui am`nent de nouveaux challenges et qui doivent ˆtreee eprises en compte dans la conception des protocoles et autres techniques pour lesr´seaux de capteurs sans fil. Parmi ces diff´rences [MAK08] : ee – la densit´ de nœuds d´ploy´s est beaucoup plus importante dans les r´seauxe ee e de capteurs sans fil que dans les r´seaux ad-hoc, e – les nœuds capteurs ont des capacit´s limit´es en ´nergie et en m´moire, e eee – la topologie dans les r´seaux de capteurs est souvent dynamique,e – la communication entre les nœuds d’un r´seau de capteurs se fait par diffusione et non point par point, – les capteurs peuvent ne pas avoir un identifiant global vu le grand nombre de nœuds qui existent g´n´ralement.e e Dans ce document, nous nous int´ressons plus a la contrainte impos´e par lae `efaible dur´e de vie des r´seaux de capteurs. De ce fait, nous exposons dans ceeechapitre, diff´rentes techniques non-exhaustives d’optimisation de cette dur´e de e ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 38. 3.1. La dur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans fil e e 28vie. Nous ressortirons d’abord la notion de dur´e de vie d’un r´seau de capteurs e esans fil a travers les diff´rentes d´finitions qu’elle revˆt en fonction de l’objectif vis´`eee edans l’exploitation du r´seau. Puis, nous aborderons les techniques centralis´es `ee atravers l’algorithme de Berman et al., les travaux de Zhang et Hou et ceux deCardei et al. Apr`s cela, nous passerons aux techniques distribu´es en pr´sentant eeediff´rents algorithmes et protocoles comme LEACH, ASCENT, PEAS de Fan Ye eet Gary Zhong, PEAS-Weibull et PECAS.3.1La dur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans e e fil La dur´e de vie est l’un des probl`mes les plus s´rieux dans l’´tude des r´seaux e ee eede capteurs sans fil. Comme nous l’avons dit dans la sous-section 2.5.6, les nœudscapteurs sont des ´quipements sans contrˆle avec une dur´e de vie limit´e. Lee o eer´seau peut rapidement cesser de fonctionner normalement a cause d’une d´viation e `eou d’un manque de planning et puisqu’un r´seau de capteurs est g´n´ralement uti- ee elis´ pour une longue dur´e sans possibilit´ de recharge, prolonger sa dur´e de vie ee eedevient primordial. Selon l’objectif ou les hypoth`ses pris en compte, il y’a plusieurs d´finitions de eela dur´e de vie du r´seau. Elle est souvent consid´r´e comme la dur´e qui s’´coulee e ee eedepuis la mise en place du r´seau jusqu’` l’´puisement de la source d’´nergie d’une a e epremier nœud. Bien que la redondance des nœuds peut, dans ce cas, permettre aur´seau de continuer a fonctionner. Une autre d´finition est la dur´e qui s’´coule e` eeejusqu’au moment o` le nombre de capteurs ´puis´s atteint un seuil d´termin´. u eeeePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 39. 3.1. La dur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans fil e e 29Une d´finition plus r´aliste est de consid´rer la dur´e de vie du r´seau comme la eeee edur´e qui s’´coule depuis la mise en place du r´seau jusqu’au moment o` celui-ci eeeudevient incapable d’accomplir les tˆches qui lui sont assign´es. La couverture est ael’activit´ premi`re d’un r´seau de capteurs sans fil. Elle est d’ailleurs g´n´ralement ee e e econsid´r´e comme la QoS du r´seau. Elle repr´sente de ce fait un bon objectif quieee epeut ˆtre pris en compte dans l’´tude de l’optimisation de la dur´e de vie du r´seau eee ede capteurs. Le nœud capteur est compos´ de quatre principales unit´s (voir section 2.1). e eC’est la source d’´nergie qui fournit de l’´nergie aux trois autres composants eteetoute activit´ de ces trois derniers que ce soit la d´tection, le traitement, la trans- e emission et la r´ception de donn´es consomme de l’´nergie [QUN07]. Il est connu e e eque les op´rations de communication des nœuds (transmission et r´ception dee edonn´es) sont les plus consommatrices d’´nergie. De ce fait, r´duire la consomma-e e etion d’´nergie de leur dispositif radio est une technique de conservation d’´nergie eeet d’optimisation de la dur´e de vie du r´seau. Des techniques de planification e ede l’activit´ des nœuds (actif, en veille, inactif, . . .) sont ´galement utilis´es poure e eaugmenter la long´vit´ du r´seau de capteurs. Elles sont appel´es techniques de e e eeduty cycling . Aussi, dans les r´seaux de capteurs organis´s en clusters, dese echefs de clusters sont s´lectionn´s pour accomplir des tˆches (comme la mobilit´eeaedans le but d’´quilibrer l’´nergie) visant ` allonger la dur´e de vie du r´seau.ee ae ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 40. 3.2. Techniques centralis´es e 303.2Techniques centralis´es e3.2.1 L’algorithme de Berman et al. Berman et al. ont, dans leur document [BCSZ05] mis l’accent sur la r´duction ede la consommation d’´nergie due ` la d´tection (sensing) en utilisant des tech- e a eniques intelligentes d’ordonnancement. Ils ont d´fini la dur´e de vie comme ´tantee ele temps durant lequel la zone d’int´rˆt est partiellement ou totalement couverte.eeIls ont propos´ un algorithme pour d´terminer un planning de la surveillance quie eallonge la dur´e de vie du r´seau lorsqu’il faut couvrir une q − portion de la zonee ed’int´rˆt. Pour cela, ils ont mis en place une structure de donn´es pour repr´senter ee eela zone d’int´rˆt avec n2 points, n ´tant le nombre de capteurs garantissant une ee ecouverture totale. Leur algorithme prend en compte la surveillance partielle et lecout de la communication lorsque la port´e de la communication est au moins deuxefois plus large que celle de la couverture. Il est suppos´ dans le document que des capteurs sont dispers´s dans la r´gione e eR a couvrir et que chaque capteur pi a sa propre r´gion a couvrir Ri . Cela veut` e `dire que pi peut collecter les donn´es dans Ri sans l’aide d’aucun autre capteur. eIl est aussi consid´r´ que chaque capteur pi a une quantit´ d’´nergie initiale bi ee e equi peut ˆtre mesur´e par le temps durant lequel pi peut collecter des informa- e etions provenant de Ri . Le nombre de nœuds d´ploy´s est largement sup´rieur auee enombre de nœuds n´cessaire pour couvrir la zone. Ainsi il est possible de rendre einactifs certains nœuds pour sauvegarder leur ´nergie et prolonger la dur´e de vieeedu r´seau. Les capteurs sont capables d’alterner leur ´tat plusieurs fois cependante ela zone d’int´rˆt R doit ˆtre ` tout moment soit compl`tement soit partiellement eeea ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 41. 3.2. Techniques centralis´es e 31couverte par les nœuds actifs.Berman et al ont donn´ une d´finition formelle du probl`me de la r´duction ee eede la consommation d’´nergie. Ils ont consid´r´ comme ´tant le planning de la eeeecouverture l’ensemble de couples (C1 , t1 ), . . . , (Ck , tk ) avec Ci ´tant un ensembleede capteurs couvrant la zone d’int´rˆt R et ti le temps durant lequel Ci est ac-eetif. Ainsi, consid´rant une zone d’int´rˆt R, un ensemble de capteurs p1 , . . . , pn ,e eeune r´gion de couverture Ri et une ´nergie initiale bi pour chacun d’entre eux, le e eprobl`me de la dur´e de vie du r´seau se r´sume a trouver un planning de couver- ee e e `ture (C1 , t1 ), . . . , (Ck , tk ) avec la plus grande dur´e t1 + . . . + tk , de telle fa¸on que e cpour chaque capteur pi la p´riode totale d’activit´ ne d´passe pas bi . ee e3.2.2Les travaux de Zhang et HouHonghai Zhang et Jennifer Hou ont ´tudi´ le probl`me de la prolongation de laee edur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans fil en consid´rant celle-ci comme ´tant e eeele temps durant lequel au moins une portion α de la zone d’int´rˆt est couverte.eeIls ont appel´ cette dur´e de vie α-lifetime. Ils ont propos´ un algorithme qui fait ee eune planification de l’activit´ des nœuds pour allonger le α-lifetime d’un r´seau de e ecapteurs sans fil. Zhang et Hou ont ´tudi´ le probl`me de la dur´e de vie du r´seau ee ee edans le cas o`, a tout moment, seulement α portion de la zone d’int´rˆt doit ˆtre u ` eeecouverte (avec 0 < α < 1). L’algorithme d´termine un nombre maximum de sous eensembles disjoints de telle sorte que les nœuds de chaque sous ensemble puissentcouvrir au moins une portion α de la zone d’int´rˆt. Il planifie les moments d’ac- eetivit´ et d’inactivit´ des nœuds. Pour cela, il choisit un sous ensemble de nœuds e equi devra ˆtre actif a chaque round.e`Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 42. 3.2. Techniques centralis´es e 32 Cette ´tude [ZH06] montre que pour accroitre la dur´e de vie du r´seau, il est ee epossible soit de d´ployer un tr`s grand nombre de nœuds comme dans le cas deseealgorithmes distribu´s ou de faire la concession de laisser une petite portion de laezone d’int´rˆt non couverte. Pour ce dernier cas, l’algorithme devra d`s le d´buteeeeindiquer une α-couverture de la zone d’int´rˆt, o` α repr´sente le pourcentage de laee u ezone d’int´rˆt qui ne pourra pas ˆtre couverte. Leur ´tude a aussi laiss´ apparaitreee e eeque choisir dans chaque round un nombre minimal de nœuds qui vont assurerla couverture est moins optimale que de choisir un ensemble de nœuds qui vontminimiser la consommation d’´nergie des nœuds restants.e3.2.3Les travaux de Cardei et al. Cet algorithme de Mihaela Cardei, My T. Thai, Yingshu Li et Weili Wu[CTLW05] propose une m´thode efficace pour optimiser la dur´e de vie du r´seauee ede capteurs en organisant les nœuds capteurs en un nombre maximal d’ensemblesde couverture qui sont activ´s successivement. Quand un ensemble est actif, lesecapteurs constituant cet ensemble sont responsables de la couverture de tous lespoints de la zone d’int´rˆt et de la transmission des donn´es collect´es tandis que ee eeles autres nœuds sont en ´tat de veille consommant moins d’´nergie. e e L’algorithme utilise la technique du duty cycling . Il s’agit d’une des m´thodeseutilis´es pour r´duire la consommation d’´nergie des nœuds capteurs et consiste ae ee`alterner leur fonctionnement en une mode active et une mode veille. L’algorithmeaborde le probl`me de la maximisation de la dur´e de vie du r´seau de capteurs en e e e´tudiant le probl`me de la couverture d’un ensemble de points localis´s du r´seauee eePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 43. 3.3. Techniques distribu´ese 33et consid`re la dur´e de vie du r´seau comme l’intervalle de temps durant lequel e e echaque objectif (zone cible) du r´seau est couvert par au moins un nœud capteur. eIl se propose d’allonger la dur´e de vie du r´seau en divisant les nœuds en un e enombre d’ensembles non-disjoints de telle fa¸on que chaque ensemble couvre ` luicaseul tous les objectifs du r´seau. Ces ensembles sont activ´s ` tour de rˆle de telleee a osorte qu’en tout temps, un seul ensemble est actif a la fois. Cela permet non seule- `ment de couvrir toute la zone d’int´rˆt mais aussi d’allonger la dur´e de vie du ee er´seau, du moment o` les nœuds sont programm´s pour alterner de l’´tat actif ` e ue eal’´tat veille, compar´ au cas o` tous les nœuds du r´seau sont tous continuellementee ueactifs.3.3 Techniques distribu´es e3.3.1 Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy : LEACHLes capteurs sont utilis´s pour d´tecter des ph´nom`nes du milieu physique,ee e ed’effectuer un traitement et de transmettre l’information qui en d´coule a un e`sink . Des protocoles de communication sont alors n´cessaires pour le bon ed´roulement de cette op´ration. Cependant la plupart de ces protocoles soit ne e etiennent pas en compte des contraintes ´nerg´tiques des r´seaux de capteur soit ils eeene sont pas optimaux. Ainsi, LEACH est un protocole qui vient palier ` quelques auns de leurs manquements et qui permet de r´duire a hauteur de 8 fois la perte e`d’´nergie compar´ aux protocoles de routage conventionnels.e eLEACH est un protocole qui utilise des techniques de randomisation pourdistribuer la charge d’´nergie entre les nœuds du r´seau [HCB00]. LEACH est e ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 44. 3.3. Techniques distribu´ese 34compl`tement distribu´. Il ne requiert aucun contrˆle de la station centrale de base e eoet les nœuds n’ont pas a garder des informations sur leurs voisins. Avec LEACH, `les nœuds s’organisent en des clusters avec des nœuds jouant le rˆle de o chefs decluster . Dans d’autres algorithmes o` les uchefs de cluster sont choisis et fix´s ea priori, il est remarqu´ que ces nœuds s’´puisent rapidement et ´puise aussi la` e eedur´e de vie du cluster, rendant ainsi inefficaces les autres nœuds appartenant a e`ce cluster. C’est pour cela que LEACH utilise des techniques de rotation al´atoire epour d´terminer la position du chef de cluster de telle fa¸on que celle-ci puissee cvarier entre tous les nœuds du r´seau afin de ne pas ´puiser toute l’´nergie d’une e eseul nœud. Egalement, LEACH effectue localement une fusion de donn´es afin de er´duire la quantit´ de donn´es qui doit ˆtre transmise depuis les clusters vers la eeeestation de base, en plus de r´duire l’´nergie consomm´e et donc d’augmenter la eeedur´e de vie du r´seau. e eLes capteurs se d´signent pour ˆtre chef de cluster avec une certaine proba- e ebilit´. Ils envoient aux autres nœuds un message broadcast contenant leur statut. eChacun de ces autres nœuds d´termine alors le cluster auquel il veut appartenir eneindiquant le chef de cluster avec lequel une communication n´cessiterait le moinsed’´nergie. Cela revient, la plupart du temps 1 , a choisir le chef de cluster qui est lee`plus proche de lui. Une fois que tous les nœuds sont organis´s en clusters, chaqueechef de cluster cr´e un planning au sein de son cluster. Celui-ci a pour but d’in-ediquer ` tous les nœuds ordinaires du cluster d’´teindre leur dispositif radio et de aene les rallumer que lors de l’op´ration de transmission du chef de cluster. On notee 1. En effet, cela n’est pas toujours le cas. Le nœud peut choisir comme chef de cluster un nœudtr`s ´loign´ lorsqu’ ` cause d’inf´rences ou d’autres difficult´s techniques, la communication avece ee ae eles autres chefs de cluster qui sont plus proches de lui est rendue plus difficile qu’avec le chef decluster ´loign´.eePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 45. 3.3. Techniques distribu´ese35ainsi une r´duction de l’´nergie consomm´e par les autres nœuds. C’est aussi le e eenœud chef de cluster qui est charg´ de faire une agr´gation des donn´es qu’il re¸oite e e cdes autres nœuds de son cluster et de les transmettre ensuite ` la station de base.aCeci permet de compresser la taille des donn´es transmises et donc de r´duire leeenombre de communications. Le r´seau y gagne en ´conomie d’´nergie vu que laeeefusion de donn´es consomme moins d’´nergie que la communication.ee Comme sous-entendu plus haut, le chef de cluster consomme plus d’´nergie queeles autres nœuds ordinaires du fait de toutes les tˆches qui lui sont assign´es. Afin aede r´partir cette consommation d’´nergie a travers tout le r´seau, le chef de clusteree `eva varier au fil du temps et, ` diff´rentes p´riodes, un autre nœud se d´signe chef aeeede cluster. Ainsi, en un temps t1 , un ensemble C de nœuds s’auto-d´signe chefs ede clusters et en t1 + d, un autre ensemble C de nœuds va prendre le relais etdevenir chefs de clusters a son tour, d´pendant de la quantit´ d’´nergie qui reste`e e ea ces nœuds, comme le montre la figure 3.1. De cette fa¸on, ce sont toujours les` cnœuds avec le plus de r´serve d’´nergie qui se verront assigner les tˆches les plus eeaconsommatrices de ressources au sein du r´seau. eD´tails de l’algorithme LEACH e L’ex´cution de LEACH est divis´e en rounds de telle sorte que chaque round e ed´bute avec une phase d’initialisation, dans laquelle se fait l’organisation des clus- eters, suivie d’une phase constante dans laquelle a lieu les transferts de donn´es versela station de base. En vue de r´duire les consommations de ressources, la phase econstante est longue compar´e ` la phase d’initialisation. e aPr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 46. 3.3. Techniques distribu´ese 36Figure 3.1 – Clusters dynamiques : (a) cluster C en un temps t1 . (b) cluster Cen un temps t1 + d. Les noeuds marqu´s d’un mˆme symbole appartiennent aueemˆme cluster. Les chefs de cluster sont repr´sent´s par un gros point.e eeLa phase d’annonce Initialement lors de la cr´ation des clusters, chaque nœud ed´cide de devenir ou non un chef de cluster pour le round courant. Cette d´cision eeest bas´e sur le pourcentage sugg´r´ 2 de chefs de clusters dans le r´seau et du e eeenombre de fois que le nœud a ´t´ auparavant chef de cluster. Le nœud n d´cide de ee edevenir chef de cluster en choisissant un nombre al´atoire compris entre 0 et 1. Si ece nombre est plus petit qu’un seuil T (n), alors le nœud n devient chef de cluster.Le seuil est ainsi d´termin´ :ee P si n ∈ G,   1 1−P ×(r mod ) T (n) = P   0 sinon O` P est le pourcentage d´sir´ de chefs de cluster, r le round courant et G estu e e 1l’ensemble de nœuds qui n’ont pas ´t´ chefs de cluster dans lesee P derniers rounds.Durant le round 0 (r = 0), chaque nœud a une probabilit´ P de devenir chef de ecluster. Les nœuds qui seront chefs de cluster au round 0 ne pourront pas le devenir2. Ce pourcentage est d´termin´ ` priori. eeaPr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 47. 3.3. Techniques distribu´ese37 1pour les P rounds suivants. De ce fait, la probabilit´ pour que les nœuds restants esoient des chefs de cluster va augmenter puisque un nombre r´duit de nœuds este1´ligible comme chef de cluster. Apr`seeP− 1 rounds, (c’est-`-dire lorsqu’il ne reste aqu’un seul round), T devient ´gal ` 1 pour tous les nœuds qui n’ont pas encore ´t´ eaee1chefs de cluster ; et apr`s eProunds, tous les nœuds deviennent a nouveau ´ligibles` epour ˆtre chef de cluster. e Lorsqu’un nœud devient un chef de cluster pour le round courant, il envoie unmessage broadcast pour l’annoncer aux nœuds restants. Tous les nœuds chefs decluster consomment la mˆme quantit´ d’´nergie lors de cette phase d’annonce. Les ee enœuds ordinaires ont alors leur ´quipement radio allum´ durant toute cette phasee ed’initialisation pour ˆtre capable de recevoir ces messages. C’est lorsque cette phasees’ach`ve que chaque nœud ordinaire choisit le cluster auquel il appartient pour ce eround, grˆce a la force du signal des messages broadcast qu’il a re¸us. Ceci du fait a ` cque le chef de cluster dont le message a ´t´ re¸u avec une plus grande force de signal ee csera sans doute celui avec qui une communication n´cessitera moins d’´nergie. S’ileey’a cependant ex aequo dans le choix entre plusieurs clusters, la d´cision se fera eal´atoirement.eL’initialisation des clusters Apr`s qu’un nœud ait choisi le cluster auquel il eappartient, il doit informer le chef de ce cluster. Tous les nœuds ordinaires envoientainsi un message de ce type aux chefs de cluster et durant cette phase, le dispositifradio des chefs de clusters est en marche.La cr´ation d’un planning Comme soulign´ un peu plus en haut dans le e ed´but de la sous-section 3.3.1, chaque chef de cluster cr´e un planning au sein de e ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 48. 3.3. Techniques distribu´ese38son cluster dans le but d’indiquer a tous les nœuds ordinaires du cluster d’´teindre `eleur dispositif radio et de ne les rallumer que lorsqu’il devra effectuer une op´ration ede transmission. Le chef de cluster re¸oit les messages de tous les nœuds voulantcfaire partie de son cluster. Il se base sur leur nombre et indique ` chacun d’entre aeux, grˆce a un message broadcast le moment auquel ils pourront transmettre. a `La phase de transmission de donn´es Apr`s que les clusters soient cr´´seeeeet que le planning soit fix´, la phase de transmission peut commencer. Lorsqu’unenœud a des donn´es ` transmettre au chef de cluster, il le fait durant le moment e ade transmission qui lui est fix´. La consommation d’´nergie li´e a cette op´rationee e `eest optimis´e puisque le nœud ordinaire a eu auparavant a choisir le chef de clus- e`ter avec qui une communication serait moins coˆteuse. Durant tout le moment deutransmission, les autres nœuds ordinaires ´teignent leur dispositif radio, minimi-esant ainsi leur consommation d’´nergie. Le chef de cluster quant a lui garde sa e `radio active pour recevoir les signaux qui lui seront transmis de l’ensemble desnœuds du cluster. Lorsque toutes les donn´es ont fini de lui ˆtre transmises, le chef eede cluster les compresse en un seul signal qu’il transmettra a son tour a la station ``de base. C’est cette phase qui correspond a la phase constante de l’algorithme de LEACH.`C’est apr`s cette phase que va d´buter un nouveau round et ainsi reprend le pro- eecessus.R´sum´ de l’´valuation de la performance e ee Dans [HCB00], les simulations ont montr´ que la dissipation de l’´nergie danse ele r´seau varie en fonction du pourcentage de nœuds qui sont chefs de cluster.ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 49. 3.3. Techniques distribu´ese 39La figure 3.2 permet d’illustrer cela. La figure fait aussi remarquer qu’un ´tat duer´seau o` il n’existe aucun chef de cluster est ´quivalent a l’´tat o` tous les nœuds eu e` e usont chefs de cluster et que la consommation d’´nergie est tr`s ´lev´e dans chacun e e e ede ces cas. Ceci du fait que dans chacun de ces cas, tous les nœuds vont effectuerdes op´rations coˆteuses de transmission vers la station de base. La figure montreeu´galement comment la technique de LEACH peut permettre une r´duction par 7e ede la perte d’´nergie compar´e ` une transmission directe dans laquelle chaquee e anœud communique directement avec la station de base. Ceci lorsqu’un nombreˆoptimal N de chefs clusters est choisi.Figure 3.2 – Perte d’´nergie dans le r´seau par rapport au nombre de chefs de eecluster D’une fa¸on g´n´rale, ces simulations ont montr´ que LEACH, compar´e a une ce e ee `technique de transmission directe, r´duit a hauteur de 8 fois l’´nergie consomm´ee ` eepar la communication ; et que le premier ´v´nement d’´puisement d’´nergie d’un e e eenœud survient 8 fois plus tard. Une autre performance de LEACH r´side dans le faitePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 50. 3.3. Techniques distribu´ese 40que les nœuds ´puisent leur ´nergie d’une fa¸on al´atoire. Avec cela, l’homog´n´it´e e c ee e edu r´seau est conserv´e et il n’y aura pas de zones peu couvertes au d´trimenteeed’autres.3.3.2 L’algorithme ASCENT : Adaptive Self-ConfiguringSensor Networks Topologies Dans les r´seaux de capteurs, le grand nombre de nœuds empˆche la configura- e etion manuelle et les changements fr´quents dans la topologie ne permettent pas une epr´-configuration de la conception. De ce fait, dans certains cas, les nœuds doiventeˆtre capables de s’auto-configurer pour ´tablir une topologie qui supportera touteseeles communications compte tenu des contraintes ´nerg´tiques. ASCENT est bas´ eeesur l’id´e que, mˆme quand la densit´ de nœuds augmente, seul un sous ensembleeeed’entre eux est n´cessaire dans le maintien des op´rations de routage [CE04]. Ce eesont ces quelques nœuds qui vont ex´cuter les tˆches de routage et de traitement e apendant que les autres seront en mode ”passive” ´conomisant ainsi une bonne par-etie de l’´nergie. Dans ASCENT, chaque nœud ´value son degr´ de connectivit´ et e ee eadapte ainsi sa participation ` la topologie du r´seau.ae En effet la conception d’ASCENT a ´t´ influenc´e par beaucoup d’autres tra-ee evaux du domaine. Il y’a eu un grand nombre de travaux similaires qui se sontconcentr´s sur la configuration des topologies d’un r´seau. La plupart d’entre euxe eont utilis´ des techniques th´oriques d’analyses et des techniques de simulationeetout en impliquant des m´canismes de contrˆle de la consommation d’´nergie. Ilse oese sont bas´s sur la construction d’un sous-ensemble dominant connect´ de nœuds e e(Connecting Dominating Set) ` travers lequel reposaient toutes les strat´gies dea ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 51. 3.3. Techniques distribu´ese 41routage.Conception de ASCENT ASCENT choisit de fa¸on ad´quate a partir de tous les nœuds du r´seau, des c e`enœuds qui vont ˆtre en mode active. Ceux l` restent ea ´veill´s tout le temps ete evont accomplir les tˆches de routage multi-saut au sein du r´seau, pendant quea ele reste des nœuds, en mode passive, vont contrˆler p´riodiquement s’ils doivent o eentrer en mode active ou non. Consid´rons un simple r´seau sans fil pour la collecte de donn´es dans un ee eenvironnement. La figure 3.3 montre un sch´ma simplifi´ d’ASCENT lors de l’ini- eetialisation du r´seau. Pour des soucis de clart´, il n’est montr´ que la formationeeed’un r´seau ` deux sauts. Cela peut bien ´videmment ˆtre appliqu´ ` d’autrese aee e ar´seaux de plus grande taille. e Initialement, seuls quelques nœuds sont actifs. Les autres nœuds restent enmode passive, a l’´coute des paquets de donn´es mains sans transmettre (cf. Fig.` e e3.3a). La source commence a ´mettre des paquets de donn´es en direction du` ee”sink”. Ce dernier se trouvant ` une position limite de la port´e du radio de la a esource perd beaucoup de donn´es. Cette situation est commun´ment appel´e uneeetrou de communication. Le ”sink” commence d`s lors a envoyer des messages help a e ` `ses nœuds voisins qui sont en mode passive et les invite ` rejoindre le r´seau. Lors- a equ’un voisin re¸oit un message help, il peut d´cider de rejoindre le r´seau. Cette ce esituation est illustr´e dans la figure 3.3b. D`s lors, il commence a transmettre et e e`a recevoir des paquets. Il signale aussitˆt aux nœuds passifs l’existence d’un nou-`oPr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 52. 3.3. Techniques distribu´ese42veau nœud actif, c’est-`-dire lui, en envoyant un message neighbor announcement. aCette situation continue jusqu’` ce que le nombre de nœuds actifs se stabilise et adonc le cycle s’arrˆte (cf. Fig. 3.3c). Lorsque ce processus se termine, les nouveaux enœuds actifs rendent la transmission des paquets de donn´es, de la source vers lee”sink”, beaucoup plus solide. Lorsqu’aussi survient quelques d´faillances de cer-etains nœuds, causant des pertes de donn´es, le m´canisme reprend pour corriger les eeerreurs. Les titres suivants vont rentrer en d´tail dans la conception de l’algorithmeede ASCENT et mieux d´crire son sch´ma.e eFigure 3.3 – Exemple simplifi´ d’autoconfiguration d’un r´seau . (a) Trou deeecommunication. (b) Etat de transition. (c) Etat final.Les ´tats de transition dans ASCENT Dans ASCENT, les nœuds peuventeˆtre dans quatre ´tats diff´rents : un nœud peut ˆtre en mode sleep, passive, test,eee eou active. Il ne peut cependant pas ˆtre dans les quatre en mˆme temps. La figureee3.4 ilustre les transitions d’´tat possibles. Initialement, les nœuds ont une minute-erie pour effectuer la synchronisation. Quand un nœud sort de l’´tat e endormi , c’est-`-dire d´marre sa radio et son a etransceiver, il rentre en mode test. Dans cet ´tat, les nœuds ´changent des donn´ese e ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 53. 3.3. Techniques distribu´ese 43et des messages de routage. Le nœud qui rentre en mode test choisi un temps Ttet envoie des messages neighbor announcement a ses voisins passifs. Lorsque Tt `expire, le nœud entre en mode active. Si cependant, avant l’expiration de Tt , lenombre de nœuds actifs atteint un seuil N T ou si le taux de donn´es perdues DL ea d´pass´ le DL qui existait au moment de la transition vers l’´tat test, alors le eeenœud entre plutˆt en mode passive. Si plusieurs nœuds veulent entrer en mˆme o etemps en mode test, alors les identifiants qui leur sont donn´s lors de l’envoi desemessages neighbor announcement servira ` les d´partager dans la s´lection. Ainsi, aeel’´tat test permeted’interroger le r´seau, afin de savoir si la participation d’unenouveau nœud pourra accroˆ sa connectivit´. ıtreeFigure 3.4 – Etats de transitions dans ASCENT Quand un nœud entre dans le mode passive, il d´marre un minuteur Tp et eenvoie des messages pour s’annoncer. Ces messages sont utilis´s par les nœuds eactifs pour estimer la densit´ de nœuds actifs dans leur voisinage. Cette densit´ eeest par la suite envoy´e a tout nœud qui viendra a rentrer en mode passive.e ``Lorsque Tp est ´coul´, le nœud entre en mode sleep. Cependant si avant ceci, le eenombre de nœuds voisins actifs est au dessous du seuil N T et que soit le DLest plus grand que le seuil de donn´es perdues LT , ou que le DL est plus petit ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 54. 3.3. Techniques distribu´ese 44que le LT mais qu’un message HELP a ´t´ re¸u par le nœud, celui-ci passe versee cl’´tat test. Dans l’´tat passive, les nœuds ont leur dispositif radio allum´ et sonte eecapables d’entendre toutes les transmissions de leurs voisins. Par contre, dans cet´tat, ils ne peuvent effectuer aucune op´ration de routage puisqu’il s’agit d’unee´tat d’´coute. Donc le mode passive est un ´tat dans lequel le nœud accomplitee edes tˆches de collecte d’information concernant l’´tat du r´seau sans interf´rer aeeesur celles des autres nœuds. Les nœuds dans les ´tats passive et sleep mettentecontinuellement a jour le nombre de voisins actifs et le taux de perte de donn´es.` eDe l’´nergie est consomm´e dans l’´tat passive puisque le dispositif radio est actif. ee eLorsque le nœud est dans l’´tat sleep, il ´teint sa radio, d´clenche une minuterie ee eTs . Quand Ts est ´coul´, il rentre en mode passive. Finalement, le nœud qui entreeeen mode active effectue des op´rations de routage et d’acheminement de donn´es eejusqu’` totale ´puisement de son stock d’´nergie. Il envoie des messages HELPae elorsque le taux de perte de donn´es d´passe le seuil LT .ee3.3.3 Un protocole robuste de conservation d’´nergie pour eles r´seaux de capteurs ` longue dur´e de vie : PEAS ea e Fan Ye et al. ont d´velopp´ un m´canisme appel´ PEAS [YZC+ 03] qui peutee e eallonger la dur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans fil de grande densit´ dans e e eun milieu hostile [WX06]. PEAS maintient les op´rations robustes en utilisant de egrandes quantit´s de nœuds de capteurs ´conomiques et de courte dur´e de vie. Il e e eprolonge le temps de fonctionnement du syst`me en faisant seulement travailler un eensemble de capteurs n´cessaires et en mettant le reste en mode veille. Par p´riode,eeles capteurs qui sont en veille se r´veillent et sondent l’environnement local poureremplacer ceux qui sont hors d’usage. Les p´riodes de veille sont auto-ajust´es de eePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 55. 3.3. Techniques distribu´ese45fa¸on dynamique, afin de maintenir la vitesse de r´veil des capteurs ` peu pr`scea econstante, s’adaptant ainsi aux grandes densit´s de nœuds.e PEAS partage la technique basique de d´sactivation de nœuds avec d’autres eprotocoles de conservation d’´nergie dans les r´seaux ad hoc sans fil (GAF [XHE01], e eSPAN [CJBM02], AFECA [XHE00]) et dans les r´seaux de capteurs (ASCENT e[CE04]). Toutefois, les travaux existants sont destin´s ` des ordinateurs portables e abeaucoup plus puissants et/ou ` un environnement de r´seau relativement stable,aetandis que la conception de PEAS cible un environnement de travail beaucoupplus s´v`re voire hostile, o` :e e u – les d´faillances des nœuds de capteurs peuvent devenir plutˆt fr´quentes,e o e – la densit´ du d´ploiement des nœuds peut ˆtre d’une grandeur beaucoup pluse e e´lev´e que le minimum requis pour le fonctionnement normale e – et les nœuds sont trop limit´s en ressources m´moire et en ressources de cal- e ecul pour se permettre des protocoles relativement complexes. Aucun des travaux apparent´s n’aborde la question des op´rations robustes e edans la mise en environnement hostile que la conception de PEAS a pris enconsid´ration. PEAS r´alise une op´ration tr`s robuste en d´cidant al´atoirementeee ee ela dur´e du sommeil des nœuds endormis afin de d´tecter et de remplacer acti-eevement les nœuds en panne. Il ´limine les ´tats par voisins, supprimant ainsi lae ecomplexit´ de suivre chaque voisin dans un d´ploiement dense. C’est en contra- eediction avec les travaux apparent´s qui n´cessitent soit un entretien des ´tats par e eevoisin ou une estimation des temps d’activit´ des nœuds en travail, qui sont diffi-ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 56. 3.3. Techniques distribu´ese 46ciles a r´aliser lorsque les nœuds sont dens´ment d´ploy´s et soumis a de fr´quentes` e eee`epannes.La conception de PEAS PEAS consiste en deux algorithmes simples que nous pourrons nommer : son-dage de l’environnement (Probing Environment) et mise en veille appropri´e (Adap-etive Sleeping), qui d´terminent respectivement (1) quels capteurs devraient fonc- etionner et comment un capteur qui vient de se r´veiller d´cide si il doit se rendormir, e eet (2) comment les temps de sommeil moyens des capteurs sont ajust´s de mani`ree eappropri´e pour garder une vitesse de r´veil relativement constante.eeProbing Environment (Sondage de l’environnement) L’objectif de cet al-gorithme est de maintenir un nombre suffisant des nœuds, en cas de d´faillancesede quelques autres nœuds. PEAS utilise un m´canisme de sondage simple pour er´soudre le probl`me. Initialement tous les nœuds sont en veille et cela pendant un e ecertain temps al´atoire exponentiellement distribu´. Quand un nœud se r´veille,e eeil envoie un message P ROBE au sein d’une certaine plage de sondage Rp . Tousdes nœuds en activit´ au sein de Rp devraient renvoyer un message de r´ponse.e eUn nœud en veille commence son travail en permanence seulement s’il ne re¸oit cpas de message de r´ponse. Sinon, il retourne a nouveau en veille pour une autre e`dur´e al´atoire. ee Le temps de sommeil distribu´ de fa¸on exponentielle permet de mesurer la vi- ectesse de r´veil des nœuds et d’ajuster les p´riodes de veille facilement dans la misee een veille appropri´e (cf. paragraphe sur Adaptive Sleeping). La plage de sondageeRp est donn´e par l’application en fonction du degr´ de robustesse dont elle a be- e ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 57. 3.3. Techniques distribu´ese47soin. Une application n´cessitant un fonctionnement tr`s robuste peut choisir une eepetite Rp pour obtenir une plus grande densit´, une redondance donc plus ´lev´e e e edes nœuds en travail. Pour ´viter la d´connexion du r´seau, Rp est g´n´ralement eeee ebeaucoup plus petit que la plage de transmission maximale Rt d’un capteur. Ilest suppos´ que les nœuds peuvent ajuster leur puissance de transmission pourediffuser des messages P ROBE en fonction de la plage de sondage Rp .Adaptive Sleeping (Mise en veille appropri´e) L’objectif de la mise eneveille adaptative est de maintenir le nombre d’´veils par unit´ de temps constant eeet ind´pendant des densit´s de nœuds locaux, qui varient suivant les d´ploiements,eeesuivant les endroits ou les moments. La fr´quence souhait´e des r´veils d´pendee e ede l’application. La mise en veille appropri´e ajuste, pour chaque nœud actif,eles r´veils de ses nœuds voisins en veille, ` des niveaux appropri´s, afin que les ea einterruptions transitoires dans la d´tection et la communication caus´es par deseed´faillances de nœud soient tol´r´es par l’application. e ee L’id´e de base est de laisser chaque nœud actif mesurer le taux total de sondage e¯λ qu’il per¸oit de tous ses voisins en veille. Le nœud actif inclut alors le taux mesur´ c e¯λ lorsqu’ il envoie un message REP LY a un voisin qui sonde l’environnement. Tous`les nœuds qui ´taient entrain de sonder ajustent alors la dur´e de leur sommeil eneecons´quence.eR´sum´ de l’´valuation de la performance e ee Fan Ye et Gary Zhong ont impl´ment´ PEAS et ´valu´ ses performances grˆce `ee eea adeux indicateurs principaux : la dur´e de vie de la couverture et celle de la livraisonede donn´es. La dur´e de vie de la couverture d´signe la p´riode pendant laquelle le ee eePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 58. 3.3. Techniques distribu´ese 48r´seau a suffisamment de nœuds actifs pour s’assurer que chaque endroit est sur- eveill´ par des nœuds actifs. La dur´e de vie de la livraison de donn´es repr´sente le e ee etemps pendant lequel le r´seau peut fournir des rapports de donn´es avec succ`s. eeeLes r´sultats montrent que PEAS maintient une r´sistance robuste contre les e ed´faillances de nœuds ` hauteur de 38% (incluant les ´puisements d’´nergie) ` eae eamoins de 1% de l’´nergie g´n´rale, et prolonge le temps de fonctionnement du ee esyst`me proportionnellement au nombre de nœuds d´ploy´s.e ee Ils ont d’abord vari´ le pourcentage de d´faillance des nœuds de 7% ` 38%. eeaLa dur´e de vie de la couverture et celle de la livraison des donn´es diminuente eharmonieusement avec les d´faillances des nœuds (cf. figure 3.5). Mˆme pour lese ed´faillances de nœuds port´es ` 38%, les d´ductions sont d’environ 20%. Puis ils ee a eont fait varier a plus de 5 fois le nombre de nœuds n´cessaires dans un champ pour`ecouvrir la d´tection de base avec une d´faillance des nœuds fix´e a 13%. Aussi bieneee `la dur´e de vie de la couverture que celle de la livraison de donn´es augmentent dee efa¸on lin´aire au nombre de nœuds d´ploy´s (cf. figure 3.6). Enfin ils ont mesur´ce ee ele surcoˆt de PEAS dans l’´nergie consomm´e par les op´rations de sondage et deu eeer´ponse et ils ont trouv´ qu’elle ´tait inf´rieure ` 1% de la consommation totale ee ee ad’´nergie.ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 59. 3.3. Techniques distribu´ese49Figure 3.5 – R´sistance aux d´faillances de nœudseeFigure 3.6 – Extension de la dur´e de vieePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 60. CHAPITRE 4Conclusions50
  • 61. 51 Les avanc´es de la micro-´lectronique ont favoris´ l’usage de la technologie dese e ecapteurs sans fil. Ce sont de petits ´quipements munis d’une unit´ d’acquisition,e ed’une unit´ de traitement, d’une unit´ de transmission de donn´es et d’une sourceeeed’´nergie qui leur permettent d’assurer des tˆches de d´tection de ph´nom`nesea e e ephysiques, de traitement de l’information et de transmission des donn´es. Ces ap- epareils lorsqu’ils sont utilis´s de fa¸on collaborative forment un r´seau de capteurse c esans fil et sont d’une tr`s grande utilit´ dans plusieurs domaines de la science maise eaussi dans la vie de tous les jours. Ils sont utilis´s dans la m´decine, l’arm´e, lae e edomotique, etc. Toutefois, vu leur capacit´ en stockage, leur puissance de calcul eteleur source d’´nergie limit´es, les r´seaux de capteurs sans fil doivent faire face aee e `d’importants d´fis dans leur conception et leur exploitation. Ainsi, diff´rentes solu-eetions prenant en consid´ration ces contraintes ont ´t´ envisag´es pour les r´seaux e ee e ede capteurs. Dans ce document, apr`s notre introduction, nous avons eu a traiter de quelquese`g´n´ralit´s dans les r´seaux de capteurs sans fil pour mieux entamer le sujet de e e eenotre travail. Nous y avons ´tudi´ l’anatomie des capteurs pris individuellementeepuis l’architecture du r´seau de capteurs ainsi que leur organisation protocolaireeen couches. Nous avons aussi, toujours dans les g´n´ralit´s, montr´ quelques do- e e eemaines dans lesquels les applications des r´seaux de capteurs sont d’une grande eutilit´. Cela nous a donn´ une id´e des exigences auxquelles les r´seaux de capteursee eedoivent satisfaire et il a par la suite ´t´ facile de ressortir des contraintes li´es aeee `leur conception et ` leur exploitation. Ce sont ces contraintes parmi tant d’autres aqui ont motiv´ beaucoup de chercheurs ` d´velopper un bon nombre de protocoles ea eet algorithmes pour les r´seaux de capteurs. Cependant, il est tr`s difficile voire e ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 62. 52impossible de trouver une solution g´n´rique adapt´e a toutes les applications dese e e `r´seaux de capteurs. C’est cela qui nous a pouss´ ` aborder le probl`me de l’op- eeaetimisation de leur dur´e de vie a travers diff´rentes techniques trouv´es dans lae `e elitt´rature que l’on a jug´es comme couvrant plus ou moins les diff´rentes m´thodese e eeexistantes de r´duction d’´nergie dans les r´seaux de capteurs sans fil. Nous les ee eavons s´par´es en techniques centralis´es et en techniques distribu´es pour rester e eeefid`le au sujet de notre travail. C’est ainsi que, toujours a un dessein de clart´,e`enous avons d’abord eu a indiquer les nombreuses d´finitions qui sont donn´es de`eela dur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans fil. Ces d´finitions d´pendent de l’ob-e e eejectif de l’application ou des hypoth`ses prises en compte. Ensuite, munis de cet e´claircissement sur ce qu’est la dur´e de vie d’un r´seau de capteurs, nous avonse e eanalys´ quelques solutions centralis´es et distribu´es visant ` r´duire la consom-e eea emation d’´nergie donc a optimiser cette dur´e de vie. Elles utilisent pour la plupart e`edes techniques de ” duty cycling ”, de randomisation, etc. Certaines d’entre ellesobligent chaque nœud a avoir l’information sur l’´tat de ses voisins tandis que cela ` en’est pas n´cessaire dans d’autres. Quelques unes divisent le r´seau en clusters, e efont une certaine hi´rarchisation au sein des nœuds du r´seau en choisissant dese echefs de cluster, tandis que dans d’autres une station centrale est n´cessaire. Tous eces proc´d´s ont toutefois pour objectif principal d’´conomiser l’´nergie des nœudse eeeet d’allonger la dur´e de vie du r´seau de capteurs sans fil.e ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 63. ANNEXEAAnatomie du capteur TelosB et comparaison desfonctionnalit´s de quelques autres (xbow) e 53
  • 64. A.1. Anatomie du capteur TelosB54A.1Anatomie du capteur TelosB Figure A.1 – Anatomie du capteur TelosBA.2Comparaison des fonctionnalit´s de quelquese capteursPr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 65. A.2. Comparaison des fonctionnalit´s de quelques capteurse55 Fonctionnalit´s MTS300e MTS310MTS400MTS420 Acc´l´rom`tre ee e X X XLumi`re ambientee X X Barom`tree X XVibreur X XGPSX Champ magn´tiquee XMicro X X PhotosensibleXXPhotor´sistante X X Humidit´ et temp´raturee e XX Thermistance X XTable A.1 – Quelques capteurs et leurs fonctionnalit´se XM2110M2110MPR2400 MPR400 Champ de 2.4GHz2.4GHz2.4GHz868-870 ; fr´quence eISM BandISM BandISM Band902-928MHz ProcesseurAtmel Atmel AtmelAtmel ATMega 1281 ATMega 1281 ATMega 128L ATMega 128L TransceiverRF230 RF230TITI Radio Atmel AtmelCC2420 CC1000 Atmel Atmel AtmelAtmel Serial FlashAT45DB41B AT45DB41B AT45DB41B AT45DB41B (512 kB)(512 kB)(512 kB) (512 kB) RAM 8 KBytes8 KBytes4 KBytes4 KBytesTable A.2 – Quelques capteurs et leurs caract´ristiques techniques ePr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
  • 66. Bibliographie[A+ 06]Jean ARLAT et al. Tol´rance aux fautes. In Encyclop´die de l’in-e e formatique et des syst`mes d’information, (J. Akola and I. Comyn- e Wattiau, Eds.), pages 240–270. Vuibert, Paris, France, 2006.[ASSC02] I. F. AKYILDIZ, W. SU, Y. SANKARASUBRAMANIAM, and E. CAYIRCI. Wireless sensor networks : a survey. Computer Net- works, 38 :393–422, 2002.[AV10] I. F. AKYILDIZ and M. C. VURAN. Wireless Sensor Networks, chap- ter 3, pages 37–39. John Wiley and Sons, 2010.[BBC10]Antimo BARBATO, Luca BORSANI, and Antonio CAPONE. Home energy saving through wireless sensor networks. In 1st International Conference on Energy-Efficient Computing and Networking e- Energy 2010, Passau, Germany, April 2010.[BC] UC Berkeley and MLB Co.29 palms fixed/mobile expe- riment, tracking vehicles with a uav-delivered sensor network, http ://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/29palms0103/. 56
  • 67. Bibliographie57[BCSZ05] P. BERMAN, G. CALINESCU, C. SHAH, and A. ZELIKOVSKY. Efficient energy management in sensor networks. In Ad Hoc and Sensor Networks. Nova Science Publishers. Nova Science Publisher, 2005.[BSIP00] P. BAUER, M. SICHITIU, R. ISTEPANIAN, and K. PREMA- RATNE. The mobile patient : wireless distributed sensor networks for patient monitoring and care. In Proceedings 2000 IEEE EMBS International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, pages 17–21, 2000.[C+ 94]B. G. CELLER et al. An instrumentation system for the remote mo- nitoring of changes in functional health status of the elderly. In Inter- national Conference IEEE-EMBS, pages 908–909, New York, 1994.[C+ 95]G. COYLE et al. Home telecare for the elderly. Journal of Telemedi- cine and Telecare 1, pages 183–184, 1995.[CE04] Alberto CERPA and Deborah ESTRIN.Ascent : Adaptive self- configuring sensor networks topologies. IEEE Transactions on Mobile Computing, 3 :272–285, July 2004.[CJBM02] Benjie CHEN, Kyle JAMIESON, Hari BALAKRISHNAN, and Ro- bert MORRIS. Span : An energy-efficient coordination algorithm for topology maintenance in ad hoc wireless networks. Wireless Networks, 8 :481–494, 2002. 10.1023/A :1016542229220.[CTLW05] Mihaela CARDEI, My T. THAI, Yingshu LI, and Weili WU. Energy- efficient target coverage in wireless sensor networks. In IEEE Infocom, 2005.Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´galeee e
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