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D´dicaces
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                         `
                         A Allah, Le Tout Puissant, par Qui le savoir a un sens,
                              a
                              ` ma tr`s ch`re et brave maman Rokhaya Badiane,
                                     e    e
                              a
                              ` mon d´funt et tr`s regrett´ papa Ibrahima Cisse,
                                     e          e         e
                                                         a
                                                         ` ma formidable famille,
   et ` toutes ces personnes sp´ciales qui ont, durant toutes ces ann´es, ´t´ mes
      a                        e                                     e    ee
    compagnons de tous les jours et une deuxi`me famille pour moi. Ceux l` qui
                                             e                           a
n’ont cess´ de partager avec moi leur sympathie, leur chaleur, leur estime et leur
          e
                                                                      indulgence.




                                        i
Remerciements




   Je tiens a remercier en premier lieu M. Ousmane Thiare qui a accept´ de m’en-
            `                                                         e
cadrer pour ce travail. Je lui dis merci pour la confiance qu’il m’a accord´e et pour
                                                                          e
ses pertinentes id´es et fructueux conseils. Je remercie aussi M. Maissa Mbaye
                  e
pour 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 et
                        e                        `
professoral de l’UFR de Sciences appliqu´es et de Technologies qui a assur´ ma
                                        e                                 e
formation. Je lui suis, pour cela, tr`s reconnaissant.
                                     e


   Je remercie finalement, toute personne qui, de pr`s ou de loin, a contribu´ ` la
                                                   e                        ea
r´ussite de ce travail.
 e




                                         ii
Liste des acronymes




ADC        Analogic to Digital Converter


ASCENT Adaptive Self-Configuring sEnsor Networks Topologies


DARPA      Defense Advanced Research Projects Agency


GAF        Geographic Adaptive Fidelity


GPS        Global Positioning System


IoT        Internet of Things


PDA        Personal Digital Assistant


PEAS       Probing Environment Adaptive Sleeping


QoS        Quality of Service


RdCSF      R´seaux de Capteurs Sans Fil
            e


                                        iii
iv



UAV         Unmanned Air Vehicle


WINS        Wireless Integrated Network Sensors




Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
Table des figures




2.1   Anatomie d’un noeud capteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .       8
2.2   Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil . . . . . . . . . . . . . 10
                         e
2.3   Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans fil . . . . . . . 11
                                   e
2.4   Tracking vehicles with a UAV-delivered sensor network . . . . . . . 14
2.5   SIstema de Seguimiento y VIgilancia Ambiental . . . . . . . . . . . 16
2.6   Interfaces de contrˆle du syst`me . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
                         o          e
2.7   La plateforme Senslab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1   Clusters dynamiques : (a) cluster C en un temps t1 . (b) cluster
      C en un temps t1 + d. Les noeuds marqu´s d’un mˆme symbole
                                            e        e
      appartiennent au mˆme cluster. Les chefs de cluster sont repr´sent´s
                        e                                          e    e
      par un gros point. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2   Perte d’´nergie dans le r´seau par rapport au nombre de chefs de
              e                e
      cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39




                                       v
Table des figures                                                                  vi



   3.3   Exemple simplifi´ d’autoconfiguration d’un r´seau . (a) Trou de
                        e                          e
         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 . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
          e              e
   3.6   Extension de la dur´e de vie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
                            e

   A.1 Anatomie du capteur TelosB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54




Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
Liste des tableaux




A.1 Quelques capteurs et leurs fonctionnalit´s . . . . . . . . . . . . . . . 55
                                            e
A.2 Quelques capteurs et leurs caract´ristiques techniques . . . . . . . . 55
                                     e




                                    vii
Table des mati`res
                                                                         e




1 Introduction                                                                     1

2 G´n´ralit´s sur les r´seaux de capteurs sans fil
   e e     e           e                                                           4
  2.1   Anatomie d’un noeud capteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      6
  2.2   Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil . . . . . . . . . . . . .
                           e                                                       8
  2.3   Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans fil . . . . . . . 10
                                     e
  2.4   Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil . . . . . 12
               e                         e
        2.4.1   Applications m´dicales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
                              e
        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
  2.5   Les contraintes de conception et d’exploitation . . . . . . . . . . . . 18
        2.5.1   La tol´rance aux fautes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
                      e
        2.5.2   Le passage ` l’´chelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
                           a e



                                        viii
Table des mati`res
              e                                                                    ix



         2.5.3   L’aspect coˆt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
                            u
         2.5.4   Les contraintes mat´rielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
                                    e
         2.5.5   L’environnement et la topologie du r´seau . . . . . . . . . . 22
                                                     e
         2.5.6   La consommation d’´nergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
                                   e

3 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
                            e
         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´seaux
                                                        e                 e
                 de capteurs a longue dur´e de vie : PEAS
                             `           e                    . . . . . . . . . . 44

4 Conclusions                                                                      50

A 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 . . . . . . . . 54
                                    e




Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
CHAPITRE   1



     Introduction




1
2



  es r´centes avanc´es de la micro-´lectronique et des technologies sans fil ont
      e            e               e
L acc´l´r´ le processus de miniaturisation des ´quipements. Le contrˆle et le
     ee e                                      e                    o
suivi des ph´nom`nes physiques deviennent alors beaucoup plus ais´s. De nou-
            e   e                                                e
velles applications, autrefois dangereuses ou trop couteuses voire irr´alisables sont
                                                                      e
d´sormais possibles grˆce a de petits appareils ´lectroniques sans fils appel´s nœuds
 e                    a `                       e                           e
capteurs. Ces derniers sont d´ploy´s dans un environnement et sont d`s lors ca-
                             e    e                                 e
pables de recueillir diff´rents types de donn´es provenant de ce milieu, de les traiter
                        e                   e
ou de les acheminer en plus de pouvoir communiquer entre eux grˆce ` un dispositif
                                                               a a
radio dont ils sont ´quip´s. Lorsqu’ils sont utilis´s en quantit´ et de fa¸on colla-
                    e    e                         e            e         c
borative, ils constituent un r´seau de capteurs et sont ` l’origine d’applications
                              e                         a
pouss´es dans le domaine militaire et dans celui de la m´decine entre autres.
     e                                                  e


   Dans la plupart des cas, il s’agit d’applications ` temps r´el dans des mi-
                                                     a        e
lieux o` l’acc`s est difficile et quelquefois impossible a l’homme. En effet, les cap-
       u      e                                        `
teurs peuvent ˆtre d´ploy´s au fond de l’oc´an, dans un champ de bataille, etc.
              e     e    e                 e
Ceci 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,
                              e
respecter des sp´cifications li´es a la taille et a la consommation d’´nergie. En ef-
                e             e `                `                   e
fet, contrairement aux nœuds capteurs, d’autres ´quipements ´lectroniques comme
                                                e           e
les t´l´phones portables, les PDAs, ou autres appareils ´lectroniques sont la plu-
     ee                                                 e
part du temps sous la main de l’homme qui se charge de leur maintenance et de
leur entretien. La batterie d’un t´l´phone portable, par exemple, est facilement
                                  ee
rechargeable apr`s ´puisement. Les nœuds capteurs aussi disposent d’une source
                e e
d’´nergie assez limit´e mais ne b´n´ficient pas cependant d’une possibilit´ de re-
  e                  e           e e                                     e
charge manuelle. Ces facteurs repr´sentent autant de contraintes auxquelles font
                                  e


Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
3



face ces ´quipements rendant ainsi la plupart des algorithmes et protocoles, con¸us
         e                                                                      c
pour les r´seaux sans fil, inadapt´ aux r´seaux de capteurs. De nouvelles techniques
          e                      e      e
sont alors mises sur point afin de tenir compte des exigences des r´seaux de cap-
                                                                  e
teurs sans fil li´es a leur coˆt, a l’anatomie des nœuds c’est-`-dire de type mat´riel,
                e `          u `                              a                 e
mais aussi et surtout li´es a leur dur´e de vie. L’impossibilit´ d’une recharge ma-
                        e `           e                        e
nuelle et le besoin d’assurer une longue dur´e de fonctionnement aux applications
                                            e
qui en d´coulent ont fait que plusieurs chercheurs se concentrent actuellement sur
        e
la conception d’algorithmes qui tiendront en compte le facteur ´nergie pour les
                                                               e
r´seaux de capteurs en optimisant leur dur´e de vie.
 e                                        e


   Ce m´moire de master vient s’inscrire dans une logique d’´tude de quelques
       e                                                    e
techniques d’optimisation de la dur´e de vie des r´seaux de capteurs sans fil. Il fait
                                   e              e
ressortir des proc´d´s utilis´s pour r´duire la consommation d’´nergie des nœuds
                  e e        e        e                        e
capteurs tels que la succession alternative des nœuds capteurs dans l’ex´cution des
                                                                        e
tˆches, l’organisation du r´seau en clusters, la division des nœuds en hi´rarchie
 a                         e                                             e
entres autres m´thodes de la litt´rature. Pour cela, nous avons, apr`s ce premier
               e                 e                                  e
chapitre introductif, parl´ des g´n´ralit´s sur les r´seaux de capteurs sans fil au
                          e      e e     e           e
deuxi`me chapitre. Cela pour mieux les cerner. Ensuite, au troisi`me chapitre,
     e                                                           e
nous nous sommes concentr´s sur l’´tude de quelques techniques d’optimisation de
                         e        e
leur dur´e de vie que nous avons s´par´es en techniques centralis´es et techniques
        e                         e e                            e
distribu´es. Finalement, c’est au quatri`me et dernier chapitre que nous avons fait
        e                               e
une conclusion de ce travail et ouvert quelques perspectives.




Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
CHAPITRE     2



G´n´ralit´s sur les r´seaux de capteurs sans fil
 e e     e           e




               4
5




Sommaire
       2.1    Anatomie d’un noeud capteur . . . . . . . . . . . . . . .               6

       2.2    Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil . . . . . .
                                 e                                                    8

       2.3    Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans
                                           e

              fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

       2.4    Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs
                     e                         e

              sans fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

             2.4.1   Applications m´dicales . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
                                   e                                                  12

             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

       2.5    Les contraintes de conception et d’exploitation . . . . 18

             2.5.1   La tol´rance aux fautes . . . . . . . . . . . . . . . . . .
                           e                                                          18

             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 . . . . . . . .
                                                         e                            22

             2.5.6   La consommation d’´nergie . . . . . . . . . . . . . . . .
                                       e                                              23




Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.1. Anatomie d’un noeud capteur                                                    6



  a micro-´lectronique a connu au cours de cette d´cennie une avanc´e fulgurante
          e                                       e                e
L causant ainsi la miniaturisation progressive des ´quipements. Les r´seaux de
                                                   e                 e
capteurs sans fil sont une cons´quence de cet essor. Ils sont de plus en plus am´lior´s
                              e                                                e e
et sont dot´s d’une puissance de calcul sans cesse grandissante. Leur organisation
           e
en r´seau r´v`le toute leur utilit´ non seulement dans le milieu industriel, mili-
    e      e e                    e
taire, environnemental mais aussi dans la vie de chaque jour de l’homme. Ils sont
d´ploy´s en grand nombre dans diff´rents milieux pour y effectuer diverses tˆches.
 e    e                          e                                        a
Cependant, ces capteurs de par leur taille, leur coˆt ou de par l’environnement
                                                   u
dans lequel ils sont d´ploy´s peuvent pr´senter des difficult´s dans leur conception
                      e    e            e                  e
et leur exploitation.


   Nous allons, tout au long de ce chapitre, montrer comment est constitu´e la
                                                                         e
plus 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 petites
      e                                a          e             e
entit´s. Ensuite, la section suivante exposera les diff´rentes applications qui sont
     e                                                e
faites des r´seaux de capteurs sans fil dans les domaines m´dicaux, militaires,
            e                                             e
environnementaux, domestiques et commerciaux. Enfin, nous clorons ce chapitre
en faisant ressortir les contraintes qui peuvent se pr´senter ` la conception et a
                                                      e       a                  `
l’exploitation d’un r´seau de capteurs.
                     e



2.1      Anatomie d’un noeud capteur

   Un nœud capteur ou ”mote” en anglais est constitu´ d’´l´ments de telle sorte
                                                    e ee
qu’il peut a lui seul assurer les tˆches d’acquisition et de traitement de l’informa-
           `                       a


Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.1. Anatomie d’un noeud capteur                                                     7



tion. Il peut aussi communiquer avec les autres nœuds. Ceci fait que le capteur est
constitu´ de quatre composants de base :
        e


   – une unit´ d’acquisition g´n´ralement subdivis´e en deux sous unit´s que
             e                e 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 variations
                            e      e                 e
     du milieu ambiant. Ils sont utilis´s pour une grande vari´t´ de ph´nom`nes
                                       e                      ee       e   e
     physiques (acc´l´ration, concentration chimique...). Ils r´pondent a une va-
                   ee                                          e        `
     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                             e                              e
     d’exploitation sp´cifique. Elle acquiert les informations en provenance de
                      e
     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-
             e                        e
     cation qui est responsable de toutes les ´missions et r´ceptions de donn´es
                                              e             e                e
     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
                     e


Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.2. Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil
                        e                                                            8



      capteur. Son rˆle est de stocker et de fournir l’´nergie n´cessaire au fonction-
                    o                                  e        e
      nement 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 pile
        e
      AA 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
                                                                       e
unit´s additionnelles comme un syst`me de localisation (GPS), une unit´ de mo-
    e                              e                                  e
bilit´, etc. Il est pr´sent´ a l’annexe A sous forme de tableaux quelques exemples
     e                e    e`
de capteurs.




                   Figure 2.1 – Anatomie d’un noeud capteur




2.2      Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil
                            e

   Dans la plupart des cas, les nœuds capteur sont utilis´s en grand nombre et
                                                         e
d´ploy´s de fa¸on tr`s dense dans un milieu. Ils sont capables de communiquer
 e    e       c     e
entre eux et sont donc utilis´s comme un r´seau d’´quipements sans fil. Indivi-
                             e            e       e
duellement, ils sont capables de collecter des donn´es de leur environnement, de
                                                   e
les traiter localement mais ils peuvent aussi communiquer entre eux pour achemi-


Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.2. Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil
                        e                                                        9



ner l’information vers un poste central en utilisant leur dispositif radio. Chaque
nœud capteur du r´seau est capable de transmission et de r´ception de donn´es.
                 e                                        e               e
En g´n´ral, il existe dans le r´seau un ou plusieurs nœuds sp´ciaux appel´s nœuds-
    e e                        e                             e           e
puits ou ”sink”. Ces derniers poss`dent plus de ressources et de puissance que les
                                  e
autres types de nœuds du r´seau et permettent, en plus de la r´cup´ration des
                          e                                   e   e
donn´es, l’interconnexion du r´seau de capteurs avec d’autres types de r´seaux
    e                         e                                         e
(Internet, satellite. . .). Dans un r´seau de capteurs, les nœuds peuvent ˆtre fixes
                                     e                                    e
ou dot´s de syst`me de mobilit´ pour pouvoir se d´placer. L’environnement dans
      e         e             e                  e
lequel sont d´ploy´s les nœuds est appel´ la zone d’int´rˆt.
             e    e                     e              ee


   Dans un r´seau de capteurs sans fil, des points d’agr´gation peuvent ˆtre in-
            e                                          e               e
troduits. Cela a pour but de r´soudre le probl`me de la consommation d’´nergie
                              e               e                        e
[MAK08]. En effet, la communication entre les nœuds consomme beaucoup d’´nergie.
                                                                       e
Ainsi ceci a pour but de r´duire cette communication entre les nœuds en pri-
                          e
vil´giant celle entre les points d’agr´gation. Pour minimiser la consommation
   e                                  e
d’´nergie, un type de regroupement appel´ ”clustering” peut aussi ˆtre appliqu´.
  e                                     e                         e           e
Un chef du cluster joue le rˆle d’un point d’agr´gation. Les nœuds sont organis´s
                            o                   e                              e
en groupes, chaque groupe a un ”chef de cluster”. La communication au sein d’un
groupe doit passer a travers le chef, qui ensuite la transmet ` un autre chef du
                   `                                          a
cluster voisin jusqu’` ce qu’il atteigne sa destination, la station de base.
                     a




Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.3. Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans fil
                                  e                                               10




           Figure 2.2 – Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil
                                           e

2.3     Architecture en couches des r´seaux de cap-
                                     e

        teurs sans fil

   Du fait du grand nombre de fonctionnalit´s impl´ment´es dans les r´seaux de
                                           e      e    e             e
capteurs, l’architecture de ces derniers est particuli`rement complexe. L’architec-
                                                      e
ture en couches dans les RdCSF comme dans les r´seaux en g´n´ral, veut r´duire
                                               e          e e           e
cette 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                         e                        e
diff´rentes couches.
   e


   Cette architecture est repr´sent´e sur la figure 2.3 et tient compte des contraintes
                              e    e
li´es au routage et a la consommation d’´nergie, int`gre la gestion des donn´es
  e                 `                   e           e                       e
grˆce aux protocoles de routage de donn´es, permet la communication a moindre
  a                                    e                            `
´nergie grˆce aux dispositifs sans fil, anime la collaboration des nœuds capteurs.
e         a
Le d´coupage consiste en une couche physique, une couche liaison de donn´es, une
    e                                                                   e
couche r´seau, une couche transport, une couche application ; un plan de gestion
        e

Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.3. Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans fil
                                  e                                              11




     Figure 2.3 – Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans fil
                                               e

de l’´nergie, un plan de gestion de mobilit´ et un plan de gestion des tˆches.
     e                                     e                            a


   En fonction de l’usage qui est fait du r´seau de capteurs, diff´rentes types d’ou-
                                           e                     e
tils exploitant la couche application peuvent ˆtre d´velopp´s. La couche transport
                                              e     e      e
permettra de maintenir le flux de donn´es. La couche r´seau pourra s’occuper du
                                     e               e
routage des donn´es qui lui seront pr´sent´es par la couche transport. Puisque,
                e                    e    e
les nœuds capteurs sont aussi d´ploy´s en grand nombre, la couche liaison de
                               e    e
donn´es se chargera d’´viter les collisions qui peuvent ˆtre dues aux communica-
    e                 e                                 e
tions simultan´es. La couche physique, quant a elle, assurera les besoins non moins
              e                              `
importantes de modulation, de r´ception et d’´mission. En plus de ces couches, les
                               e             e
plans de gestion de l’´nergie, de la mobilit´ et des tˆches g`rent la consommation
                      e                     e         a      e
d’´nergie, les d´placements et la distribution des tˆches entre les nœuds capteurs.
  e             e                                   a
Ils aident les nœuds capteurs ` coordonner les taches de d´tection et de limiter la
                              a                           e
consommation d’´nergie.
               e



Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil
            e                         e                                              12



2.4      Les diff´rentes applications des r´seaux de
                e                         e

         capteurs sans fil

   Un r´seau de capteurs peut ˆtre constitu´ de diff´rentes sortes de nœuds cap-
       e                      e            e       e
teurs capables de d´tecter diff´rents ph´nom`nes physiques tels que les ph´nom`nes
                   e          e        e   e                             e   e
sismiques, magn´tiques, thermiques, visuels, acoustiques entre autres. Ils sont de
               e
ce fait utilis´s pour contrˆler une large vari´t´ de conditions du milieu ambiant
              e            o                  ee
comme [ASSC02] la temp´rature, l’humidit´, les d´placements des v´hicules, la
                      e                 e       e                e
luminosit´, la pression, les caract´ristiques du sol, le niveau de bruit, la pr´sence
         e                         e                                           e
ou 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-
              e      e
sager toute une nouvelle vague d’applications dans des domaines diff´rents. Dans
                                                                   e
la suite, nous allons d´tailler l’usage qui est fait des capteurs dans les milieux de
                       e
la sant´, les milieux militaires, environnementaux, domestiques et dans quelques
       e
milieux commerciaux.


2.4.1     Applications m´dicales
                        e

   Les applications des r´seaux de capteurs sans fils dans le domaine m´dical
                         e                                            e
permettent dans les hˆpitaux de r´aliser la surveillance des patients, de faire la
                     o           e
diagnostique, d’assurer normalement l’administration de m´dicaments. Elles per-
                                                         e
mettent de surveiller dans d’autres milieux les d´placements et transformations
                                                 e
des insectes et autre animaux. Les r´seaux de capteurs sans fil y sont aussi uti-
                                    e
lis´s pour surveiller les patients et les m´decins au sein de l’hˆpital mais ´galement
   e                                       e                     o           e
pour faciliter l’´tude de la physiologie humaine. En effet, les donn´es physiologiques
                 e                                                 e

Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil
            e                         e                                          13



collect´es par un capteur peuvent ˆtre conserv´es pendant une longue p´riode et
       e                          e           e                       e
utilis´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 e
C+ 95]. Ils ont non seulement l’avantage de permettre au m´decin de pouvoir
                                                          e
d´tecter assez tˆt les symptˆmes[N+ 98], mais aussi d’empˆcher l’alitement du pa-
 e              o           o                            e
tient, qui pourra vaquer ` ses occupations, lui procurant ainsi une meilleure qua-
                         a
lit´ 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 Grenoble
                                  e              e    e          e    e
(France) a travers le projet ”Health Smart Home” [NHR+ 00].
         `


   Les capteurs peuvent ´galement ˆtre implant´s dans le corps humain pour
                        e         e           e
contrˆler 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
                   e                                                  e
recevoir des images en temps r´el d’une partie du corps sans aucune chirurgie et
                              e
pendant environ 24h. On peut ainsi surveiller la progression d’une maladie ou la
reconstruction d’un muscle. Un projet actuel consiste a cr´er une r´tine artificielle
                                                      ` e          e
compos´e de cent micro-capteurs pour corriger la vue [MAK08].
      e




2.4.2    Applications militaires

   La recherche militaire est l’un des principaux domaines utilisant la technologie
des r´seaux de capteurs sans fil. En effet, une grande partie de la croissance ra-
     e
pide dans la recherche et le d´veloppement des r´seaux de capteurs sans fil a ´t´
                              e                 e                            ee
garantie par des programmes financ´s par l’Agence am´ricaine pour les Projets
                                 e                 e

Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil
            e                         e                                            14



de Recherche Avanc´e de D´fense (DARPA), notamment grˆce ` un programme
                  e      e                           a a
connu sous le nom de ”SensIT” [KAC09].


   Les r´seaux de capteurs peuvent ˆtre utilis´s pour la surveillance des champs de
        e                          e          e
bataille 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
                       e                                    e
des munitions et des ´quipements des corps militaires[ASSC02]. En effet l’´tat des
                     e                                                   e
munitions des troupes peut ˆtre constamment surveill´ grˆce a des capteurs qui
                           e                        e a `
sont reli´s aux v´hicules ou aux armes et qui renvoient de temps en temps l’´tat
         e       e                                                          e
de 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                             e                    e    a a
”Unmanned Air Vehicle” (UAV). La figure 2.4 repr´sentent quelques images de
                                               e
l’op´ration qui a dur´ trois jours.
    e                e




      Figure 2.4 – Tracking vehicles with a UAV-delivered sensor network




Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil
            e                         e                                              15



2.4.3     Applications environnementales

   Dans le milieu environnemental aussi, les r´seaux de capteurs gardent toute
                                              e
leur importance. Les capteurs sont d´ploy´s en grand nombre et dans la plupart
                                    e    e
du 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 ´vitant
                                                  e                        e
que celui-ci devienne incontrˆlable. Dans le milieu de l’agriculture, les r´seaux de
                             o                                             e
capteurs offrent aussi la possibilit´ de pouvoir surveiller les cultures. Ils fournissent
                                   e
en temps r´el des informations relatives au volume de pesticides dans les sols, a la
          e                                                                     `
vitesse de l’´rosion et au niveau de pollution de l’air. Diff´rentes sciences d’´tude de
             e                                              e                  e
l’environnement font recours aux technologies des capteurs. Il peut s’agir d’´tudier
                                                                             e
les mouvements des oiseaux, des petits animaux et des insectes ou de surveiller
l’´tat de la r´colte et du b´tail, de contrˆler l’irrigation des terres ou mˆme de faire
  e           e             e              o                                e
des ´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
               e      e        e       e
des r´seaux de capteurs[Dim]. Ce syst`me a ´t´ r´alis´ sur une superficie de 210
     e                               e     ee e e
hectares dans le nord du pays et a eu pour but de fournir ` diff´rentes organisations
                                                          a    e
une infrastructure de surveillance de l’environnement et la possibilit´ de recevoir
                                                                      e
des alarmes d’avertissement. Les figures 2.5 et 2.6 servent a illustrer ce syst`me.
                                                           `                  e


2.4.4     Applications domestiques

   Avec la miniaturisation progressive, les capteurs sont de plus en plus int´gr´s
                                                                             e e
aux ´quipements de la tous les jours. Les t´l´phones portables, les ordinateurs, les
    e                                      ee



Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil
            e                         e                               16




         Figure 2.5 – SIstema de Seguimiento y VIgilancia Ambiental




                Figure 2.6 – Interfaces de contrˆle du syst`me
                                                o          e



Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil
            e                         e                                             17



fours a micro-ondes et mˆme les cl´s de voitures sont ´quip´s de capteurs. Dans
      `                 e         e                   e    e
la maison, l’aspirateur, le r´frig´rateur, la t´l´vision int`grent des capteurs. La
                             e e               ee           e
domotique fait usage des r´seaux de capteurs pour fournir dans les maisons, les
                          e
hˆtels ou les lieux publics des fonctions de confort (gestion d’´nergie, optimisation
 o                                                              e
de l’´clairage et du chauffage), de s´curit´ (alarme, vid´osurveillance, gardiennage)
     e                              e     e             e
et de communication (commandes a distance, signaux visuels ou sonores).
                               `


   Quelques travaux [BBC10] ont consist´ ` l’utilisation des r´seaux de capteurs
                                       ea                     e
sans fil pour r´duire la consommation d’´nergie des appareils ´lectroniques de la
              e                        e                     e
maison.


   Les r´seaux de capteurs sans fil constituent aussi une brique de l’Internet des
        e
objets (IoT pour Internet of Things). Ce dernier repr´sente l’extension d’Internet
                                                     e
aux 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,
                                                                           e
de l’inventaire, la surveillance de la qualit´ des produits, la construction de bureaux
                                             e
intelligents, le contrˆle environnemental (climatisation, sonorisation, etc.) dans les
                      o
entreprises, les jeux et les mus´es interactifs, l’automatisation et le contrˆle des
                                e                                            o
processus dans l’industrie, etc.[ASSC02]


   Un syst`me de r´seau de capteurs sans fil peut ˆtre install´ pour contrˆler le flux
          e       e                              e           e           o
d’air et de temp´rature dans diff´rentes parties d’une pi`ce. On estime qu’une telle
                e               e                       e
technologie peut r´duire l’´nergie de telle fa¸on a faire des ´conomies a hauteur de
                  e        e                  c `             e         `

Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation                               18



55 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’une
e                          e                      e
grande utilit´ car permettant en temps r´el de renvoyer la position g´ographique
             e                          e                            e
de la voiture a un nœud central.
              `



2.5      Les 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-
                                            e
ficult´. Il existe des contraintes li´es a la conception de celui ci qui peuvent ˆtre
     e                              e `                                         e
d’ordre multiple. La conception de protocoles et d’algorithmes doivent d`s lors en
                                                                        e
tenir compte pour ˆtre le plus optimal possible. Ces contraintes vont aussi influen-
                  e
cer l’exploitation du r´seau de capteurs sans fil. Nous d´taillerons ici quelques une
                       e                                e
de ces contraintes, cependant cette liste n’est pas exhaustive.


2.5.1     La tol´rance aux fautes
                e

   La tol´rance aux fautes est l’aptitude d’un syst`me informatique ` accomplir sa
         e                                         e                a
fonction malgr´ la pr´sence ou l’occurrence de fautes, qu’il s’agisse de d´gradations
              e      e                                                    e
physiques du mat´riel, de d´fauts logiciels, d’attaques malveillantes, d’erreurs d’in-
                e          e
teraction 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             e
capteurs d´fectueux) ou plus fr´quemment a un manque d’´nergie. Les interactions
          e                    e         `             e
externes (chocs, interf´rences) peuvent aussi ˆtre la cause des dysfonctionnements.
                       e                      e
Afin que les pannes n’affectent pas la tˆche premi`re du r´seau, il faut ´valuer
                                      a         e       e              e
la capacit´ du r´seau ` fonctionner sans interruption [KAC09]. L’exemple donn´
          e     e     a                                                      e

Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation                               19



dans [KPSV] montre un cas de tol´rance aux fautes dans un r´seau de capteurs
                                e                          e
sans fil.


2.5.2      Le passage ` l’´chelle
                      a e

   Dans un r´seau de capteurs sans fil, le nombre de nœuds d´ploy´s dans l’´tude
            e                                              e    e         e
d’un ph´nom`ne est g´n´ralement de l’ordre de centaines voire de milliers. En
       e   e        e e
exemple, la plateforme Senslab [sen] met a disposition 1024 nœuds-capteurs r´partis
                                         `                                  e
sur quatre sites en France ` savoir Grenoble, Lilles, Rennes et Strasbourg (cf. figure
                           a
2.7).




                       Figure 2.7 – La plateforme Senslab


   De ce fait, les algorithmes et protocoles con¸us pour les r´seaux de capteurs
                                                c             e
sans fil doivent ˆtre a mˆme de s’adapter a ce nombre extensible de nœuds. Les
                e    ` 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´gal
  e    e                                                  e e
2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation                              20



2.5.3     L’aspect coˆ t
                     u

   Par d´finition, un r´seau de capteurs sans fil consiste en un grand ensemble
        e             e
de nœuds capteurs. Suivant l’usage qui en est fait, un r´seau de capteurs peut
                                                        e
comporter jusqu’` des milliers de nœuds. Il s’en suit d`s lors que le coˆt d’un
                a                                      e                u
nœud capteur va fortement influencer celui de tout le r´seau. Clairement, le coˆt
                                                      e                       u
de chaque nœud capteur doit ˆtre faible pour que celui du r´seau soit acceptable.
                            e                              e
Il est a noter aussi qu’en fonction de l’application, le nœud capteur peut ˆtre
       `                                                                   e
dop´ grˆce ` des ´quipements suppl´mentaires comme un syst`me de localisation,
   e a a         e                e                       e
un composant de mobilit´ pour qu’il puisse ˆtre capable de d´placements ou un
                       e                   e                e
g´n´rateur d’´nergie. Toutes ces unit´s additionnelles ont un coˆt suppl´mentaire.
 e e         e                       e                          u       e
Ainsi elles augmentent les fonctionnalit´s du r´seau de capteurs mais ´galement le
                                        e      e                      e
coˆt de celui-ci [ASSC02].
  u


2.5.4     Les contraintes mat´rielles
                             e

   Un nœud capteur est g´n´ralement compos´ de quatre composants basiques :
                        e e               e
une unit´ de d´tection, une unit´ de traitement, un transceiver et une source
        e     e                 e
d’´nergie. Le plus souvent et en fonction de l’application, des unit´s additionnelles
  e                                                                 e
peuvent ˆtre incorpor´es au capteur. Il s’agit d’un syst`me de localisation, d’un
        e            e                                  e
g´n´rateur d’´nergie et d’une unit´ de mobilit´ pour la plupart du temps. D`s lors,
 e e         e                    e           e                            e
la difficult´ est que tous ces composants doivent ˆtre ajust´s a l’int´rieur d’un dis-
          e                                     e         e `       e
positif de la taille d’une boite d’allumette. Pour certains usages, le nœud capteur
doit avoir une taille plus petit qu’un centim`tre cube et peser assez l´ger pour
                                             e                         e
pouvoir ˆtre suspendu. Compte tenu des fonctionnalit´s toujours extensibles, ces
        e                                           e
contraintes 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´gal
  e    e                                                  e e
2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation                                             21



tion d’un r´seau de capteurs sans fil [AV10].
           e


    Les contraintes dues a la taille des nœuds rendent la capacit´ de stockage
                         `                                       e
d’´nergie assez faible. Par exemple la quantit´ totale d’´nergie stock´e dans un
  e                                           e          e            e
nœud smartdust 1 est de l’ordre de 1 J [PK00]. Pour les syst`mes WINS [VWPK00],
                                                            e
la moyenne d’´nergie ne doit pas d´passer 30 µA pour esp´rer une longue dur´e
             e                    e                     e                  e
de vie du syst`me.
              e


    Cependant, bien que les avanc´es technologiques permettent de plus en plus
                                 e
une grande puissance de calcul dans de petits ´quipements a des prix d´risoires,
                                              e           `           e
la puissance de calcul des nœuds capteurs actuels est significativement plus petite
que celle de plusieurs autres syst`mes embarqu´s ` cause de la taille et du prix.
                                  e           e a
Par 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 RAM
        o                                   e
de 512 octets et une m´moire morte EEPROM de 512 octets aussi. Ces capacit´s
                      e                                                   e
ont ´t´ accrues avec les nœuds SunSPOT et Imote2. SunSPOT est ´quip´ d’un
    ee                                                        e    e
processeur 32 bit ARM920T de 180 MHz, d’une RAM de 512 KB et d’une m´moire
                                                                    e
flash de 4 MB. Imote2 dispose quant a lui d’un microcontrˆleur Marvell PXA271
                                   `                    o
XScale de 416 MHz, une SRAM de 256 KB, d’une m´moire flash de 32 MB et
                                              e
d’une SDRAM de 32 MB. Il apparait clairement alors que les capacit´s des nœuds
                                                                  e
capteurs vont augmenter, toutefois, ces valeurs fournies ne repr´sentent rien com-
                                                                e
par´es aux capacit´s d’autres types de syst`mes embarqu´s comme les PDA ou
   e              e                        e           e
   1. Smartdust est un syst`me de nombreux petits appareils micro-´lectrom´caniques comme
                              e                                          e        e
les capteurs, les robots ou d’autres ´quipements, qui peuvent par exemple d´tecter la lumi`re, la
                                      e                                        e              e
temp´rature, la vibration, le magn´tisme ou des produits chimiques ; qui g´n´ralement commu-
      e                              e                                        e e
niquent sans fil, et qui sont r´partis sur une certaine espace pour effectuer des tˆches de d´tection.
                              e                                                  a         e
C’est un concept introduit par la DARPA.



Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation                              22



les smartphones [AV10]. Par cons´quent, les applications des r´seaux de capteurs
                                e                             e
ainsi que les protocoles con¸us doivent tenir compte de ces contraintes mat´rielles.
                            c                                              e


2.5.5       L’environnement et la topologie du r´seau
                                                e

   Les nœuds capteurs sont d´ploy´s au sein du milieu ` observer ou assez proche
                            e    e                    a
de celui-ci. Ce milieu est la plupart du temps difficile d’acc`s a l’homme. Ceci fait
                                                            e `
que les capteurs sont habituellement dans des r´gions ´loign´es et sans surveillance.
                                               e      e     e
Ils 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
                             e
sont embarqu´s.
            e


   La topologie du r´seau est aussi un facteur ` prendre en compte dans la concep-
                    e                          a
tion du r´seau de capteurs sans fil. En effet, le grand nombre de capteurs qui sont
         e
dans des milieux inaccessibles et donc sans surveillance ni maintenance est d`s lors
                                                                             e
sujet ` de fr´quentes d´faillances. Cela entraine une modification p´riodique de la
      a      e         e                                           e
topologie du r´seau de capteurs.
              e



Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation                              23



2.5.6     La consommation d’´nergie
                            e

   Dans les r´seaux de capteurs, l’´nergie est tr`s importante car elle est rare.
             e                     e             e
Le nœud capteur ´tant un ´quipement micro-´lectronique est muni d’une source
                e        e                e
d’´nergie limit´e. Or contrairement aux ordinateurs portables et aux ´quipements
  e            e                                                     e
de poche comme les t´l´phones portables qui b´n´ficient d’une constante attention
                    ee                       e e
et maintenance, les capteurs par leur grand nombre, mais aussi par le fait qu’ils
sont la plupart du temps parsem´s dans des milieux hostiles ` l’homme, ne peuvent
                               e                            a
pas faire l’objet d’une recharge manuelle. Bien que certaines techniques de collecte
d’´nergie dans l’environnement existent, la consommation d’´nergie demeure l’une
  e                                                        e
des contraintes majeures dans l’exploitation des r´seaux de capteurs sans fil. En
                                                  e
effet 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´es
            e                                         o                    e
et de routeur. Le dysfonctionnement de quelques nœuds pourrait causer d’im-
portantes modifications dans la topologie et pourrait n´cessiter un autre routage
                                                      e
des paquets en plus de la r´organisation du r´seau. De ce fait, la conservation
                           e                 e
et la gestion de l’´nergie prennent une importance suppl´mentaire. C’est pour
                   e                                    e
ces raisons que plusieurs chercheurs se concentrent actuellement sur la conception
d’algorithmes et de protocoles qui tiendront en compte le facteur ´nergie pour les
                                                                  e
r´seaux de capteurs.
 e


   Dans d’autres types de r´seaux sans fil, la consommation d’´nergie est une
                           e                                 e
contrainte importante mais pas la contrainte majeure, simplement par le fait que
les sources d’´nergie peuvent ˆtre remplac´es lorsqu’elles sont ´puis´es [ASSC02].
              e               e           e                     e    e

Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation                              24



Dans ces r´seaux, l’accent est plus port´ sur la qualit´ de service (QoS). Cependant
          e                             e              e
dans les r´seaux de capteurs, l’´nergie est une importante mesure de performance.
          e                     e
Ainsi, les protocoles peuvent ˆtre con¸us en compromettant d’autres mesures de
                              e       c
performance 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   e
siques, de faire un traitement local et de transmettre de l’information. Toutes ces
trois requi`rent de l’´nergie, faisant que la consommation d’´nergie d’un nœud cap-
           e          e                                      e
teur peut ˆtre subdivis´e en celle n´cessaire pour la d´tection, une autre n´cessaire
          e            e            e                  e                    e
pour le traitement local et une derni`re n´cessaire pour la communication. De
                                     e    e
toutes ces tˆches, c’est dans l’ex´cution de cette derni`re que le nœud capteur
            a                     e                     e
consomme le plus d’´nergie. Ceci concerne aussi bien la r´ception que la transmis-
                   e                                     e
sion de donn´es.
            e




Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
CHAPITRE    3



Techniques d’optimisation de la dur´e de vie
                                   e




            25
26




Sommaire
       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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 les
                                                            e

                     r´seaux de capteurs ` longue dur´e de vie : PEAS . . .
                      e                  a           e                              44




Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
27



 l est a noter que les r´seaux de capteurs sans fil ont beaucoup de similitudes
       `                e
I avec les r´seaux ad-hoc sans fil. En effet ces deux types de r´seaux sont tous des
            e                                                 e
r´seaux sans infrastructure, ont une architecture d´centralis´e, utilisent les ondes
 e                                                 e         e
radio 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
                                 e
propri´t´s des r´seaux ad-hoc.
      ee        e


   Cependant, les r´seaux de capteurs pr´sentent aussi beaucoup de fonctionna-
                   e                    e
lit´s qui leur sont sp´cifiques et donc non pr´sentes dans les r´seaux ad-hoc. Ce
   e                  e                      e                 e
sont ces fonctionnalit´s qui am`nent de nouveaux challenges et qui doivent ˆtre
                      e        e                                           e
prises en compte dans la conception des protocoles et autres techniques pour les
r´seaux de capteurs sans fil. Parmi ces diff´rences [MAK08] :
 e                                        e


   – la densit´ de nœuds d´ploy´s est beaucoup plus importante dans les r´seaux
              e           e    e                                         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       e      e              e
   – 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 diffusion
                                            e
     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 la
                                  e             `                    e
faible dur´e de vie des r´seaux de capteurs. De ce fait, nous exposons dans ce
          e              e
chapitre, diff´rentes techniques non-exhaustives d’optimisation de cette dur´e de
             e                                                             e


Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
3.1. La dur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans fil
           e               e                                                         28



vie. Nous ressortirons d’abord la notion de dur´e de vie d’un r´seau de capteurs
                                               e               e
sans fil a travers les diff´rentes d´finitions qu’elle revˆt en fonction de l’objectif vis´
        `                e        e                    e                               e
dans l’exploitation du r´seau. Puis, nous aborderons les techniques centralis´es `
                        e                                                    e a
travers l’algorithme de Berman et al., les travaux de Zhang et Hou et ceux de
Cardei et al. Apr`s cela, nous passerons aux techniques distribu´es en pr´sentant
                 e                                              e        e
diff´rents algorithmes et protocoles comme LEACH, ASCENT, PEAS de Fan Ye
   e
et Gary Zhong, PEAS-Weibull et PECAS.



3.1      La 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                           e              e             e          e
de capteurs sans fil. Comme nous l’avons dit dans la sous-section 2.5.6, les nœuds
capteurs sont des ´quipements sans contrˆle avec une dur´e de vie limit´e. Le
                  e                     o               e              e
r´seau peut rapidement cesser de fonctionner normalement a cause d’une d´viation
 e                                                       `              e
ou d’un manque de planning et puisqu’un r´seau de capteurs est g´n´ralement uti-
                                         e                      e e
lis´ pour une longue dur´e sans possibilit´ de recharge, prolonger sa dur´e de vie
   e                    e                 e                              e
devient primordial.


   Selon l’objectif ou les hypoth`ses pris en compte, il y’a plusieurs d´finitions de
                                 e                                      e
la dur´e de vie du r´seau. Elle est souvent consid´r´e comme la dur´e qui s’´coule
      e             e                             ee               e        e
depuis la mise en place du r´seau jusqu’` l’´puisement de la source d’´nergie d’un
                            e           a e                           e
premier nœud. Bien que la redondance des nœuds peut, dans ce cas, permettre au
r´seau de continuer a fonctionner. Une autre d´finition est la dur´e qui s’´coule
 e                  `                         e                  e        e
jusqu’au moment o` le nombre de capteurs ´puis´s atteint un seuil d´termin´.
                 u                       e    e                    e      e

Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
3.1. La dur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans fil
           e               e                                                         29



Une d´finition plus r´aliste est de consid´rer la dur´e de vie du r´seau comme la
     e              e                    e          e             e
dur´e qui s’´coule depuis la mise en place du r´seau jusqu’au moment o` celui-ci
   e        e                                  e                      u
devient incapable d’accomplir les tˆches qui lui sont assign´es. La couverture est
                                   a                        e
l’activit´ premi`re d’un r´seau de capteurs sans fil. Elle est d’ailleurs g´n´ralement
         e      e         e                                               e e
consid´r´e comme la QoS du r´seau. Elle repr´sente de ce fait un bon objectif qui
      ee                    e               e
peut ˆtre pris en compte dans l’´tude de l’optimisation de la dur´e de vie du r´seau
     e                          e                                e             e
de capteurs.


   Le nœud capteur est compos´ de quatre principales unit´s (voir section 2.1).
                             e                           e
C’est la source d’´nergie qui fournit de l’´nergie aux trois autres composants et
                  e                        e
toute activit´ de ces trois derniers que ce soit la d´tection, le traitement, la trans-
             e                                       e
mission et la r´ception de donn´es consomme de l’´nergie [QUN07]. Il est connu
               e               e                 e
que les op´rations de communication des nœuds (transmission et r´ception de
          e                                                     e
donn´es) sont les plus consommatrices d’´nergie. De ce fait, r´duire la consomma-
    e                                   e                     e
tion d’´nergie de leur dispositif radio est une technique de conservation d’´nergie
       e                                                                    e
et d’optimisation de la dur´e de vie du r´seau. Des techniques de planification
                           e             e
de l’activit´ des nœuds (actif, en veille, inactif, . . .) sont ´galement utilis´es pour
            e                                                   e               e
augmenter la long´vit´ du r´seau de capteurs. Elles sont appel´es techniques de
                 e e       e                                  e
  duty cycling . Aussi, dans les r´seaux de capteurs organis´s en clusters, des
                                  e                         e
chefs de clusters sont s´lectionn´s pour accomplir des tˆches (comme la mobilit´
                        e        e                      a                      e
dans le but d’´quilibrer l’´nergie) visant ` allonger la dur´e de vie du r´seau.
              e            e               a                e             e




Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
3.2. Techniques centralis´es
                         e                                                       30



3.2      Techniques centralis´es
                             e

3.2.1     L’algorithme de Berman et al.

   Berman et al. ont, dans leur document [BCSZ05] mis l’accent sur la r´duction
                                                                       e
de la consommation d’´nergie due ` la d´tection (sensing) en utilisant des tech-
                     e           a     e
niques intelligentes d’ordonnancement. Ils ont d´fini la dur´e de vie comme ´tant
                                                e          e               e
le temps durant lequel la zone d’int´rˆt est partiellement ou totalement couverte.
                                    ee
Ils ont propos´ un algorithme pour d´terminer un planning de la surveillance qui
              e                     e
allonge la dur´e de vie du r´seau lorsqu’il faut couvrir une q − portion de la zone
              e             e
d’int´rˆt. Pour cela, ils ont mis en place une structure de donn´es pour repr´senter
     ee                                                         e            e
la zone d’int´rˆt avec n2 points, n ´tant le nombre de capteurs garantissant une
             ee                     e
couverture totale. Leur algorithme prend en compte la surveillance partielle et le
cout de la communication lorsque la port´e de la communication est au moins deux
                                        e
fois plus large que celle de la couverture.


   Il est suppos´ dans le document que des capteurs sont dispers´s dans la r´gion
                e                                               e           e
R 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.
                                   e
Il est aussi consid´r´ que chaque capteur pi a une quantit´ d’´nergie initiale bi
                   ee                                     e e
qui peut ˆtre mesur´e par le temps durant lequel pi peut collecter des informa-
         e         e
tions provenant de Ri . Le nombre de nœuds d´ploy´s est largement sup´rieur au
                                            e    e                   e
nombre de nœuds n´cessaire pour couvrir la zone. Ainsi il est possible de rendre
                 e
inactifs certains nœuds pour sauvegarder leur ´nergie et prolonger la dur´e de vie
                                              e                          e
du r´seau. Les capteurs sont capables d’alterner leur ´tat plusieurs fois cependant
    e                                                 e
la zone d’int´rˆt R doit ˆtre ` tout moment soit compl`tement soit partiellement
             ee          e    a                       e


Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
3.2. Techniques centralis´es
                         e                                                                     31



couverte par les nœuds actifs.


    Berman et al ont donn´ une d´finition formelle du probl`me de la r´duction
                         e      e                         e          e
de la consommation d’´nergie. Ils ont consid´r´ comme ´tant le planning de la
                     e                      ee        e
couverture l’ensemble de couples (C1 , t1 ), . . . , (Ck , tk ) avec Ci ´tant un ensemble
                                                                        e
de capteurs couvrant la zone d’int´rˆt R et ti le temps durant lequel Ci est ac-
                                  ee
tif. Ainsi, consid´rant une zone d’int´rˆt R, un ensemble de capteurs p1 , . . . , pn ,
                  e                   ee
une r´gion de couverture Ri et une ´nergie initiale bi pour chacun d’entre eux, le
     e                             e
probl`me de la dur´e de vie du r´seau se r´sume a trouver un planning de couver-
     e            e             e         e     `
ture (C1 , t1 ), . . . , (Ck , tk ) avec la plus grande dur´e t1 + . . . + tk , de telle fa¸on que
                                                           e                               c
pour chaque capteur pi la p´riode totale d’activit´ ne d´passe pas bi .
                           e                      e     e


3.2.2      Les travaux de Zhang et Hou

    Honghai Zhang et Jennifer Hou ont ´tudi´ le probl`me de la prolongation de la
                                      e    e         e
dur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans fil en consid´rant celle-ci comme ´tant
   e               e                                  e                    e
le temps durant lequel au moins une portion α de la zone d’int´rˆt est couverte.
                                                              ee
Ils ont appel´ cette dur´e de vie α-lifetime. Ils ont propos´ un algorithme qui fait
             e          e                                   e
une planification de l’activit´ des nœuds pour allonger le α-lifetime d’un r´seau de
                             e                                             e
capteurs sans fil. Zhang et Hou ont ´tudi´ le probl`me de la dur´e de vie du r´seau
                                   e    e         e            e             e
dans le cas o`, a tout moment, seulement α portion de la zone d’int´rˆt doit ˆtre
             u `                                                   ee        e
couverte (avec 0 < α < 1). L’algorithme d´termine un nombre maximum de sous
                                         e
ensembles disjoints de telle sorte que les nœuds de chaque sous ensemble puissent
couvrir au moins une portion α de la zone d’int´rˆt. Il planifie les moments d’ac-
                                               ee
tivit´ et d’inactivit´ des nœuds. Pour cela, il choisit un sous ensemble de nœuds
     e               e
qui devra ˆtre actif a chaque round.
          e          `

Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
3.2. Techniques centralis´es
                         e                                                       32




   Cette ´tude [ZH06] montre que pour accroitre la dur´e de vie du r´seau, il est
         e                                            e             e
possible soit de d´ployer un tr`s grand nombre de nœuds comme dans le cas des
                  e            e
algorithmes distribu´s ou de faire la concession de laisser une petite portion de la
                    e
zone d’int´rˆt non couverte. Pour ce dernier cas, l’algorithme devra d`s le d´but
          ee                                                          e      e
indiquer une α-couverture de la zone d’int´rˆt, o` α repr´sente le pourcentage de la
                                          ee u           e
zone d’int´rˆt qui ne pourra pas ˆtre couverte. Leur ´tude a aussi laiss´ apparaitre
          ee                     e                   e                  e
que choisir dans chaque round un nombre minimal de nœuds qui vont assurer
la couverture est moins optimale que de choisir un ensemble de nœuds qui vont
minimiser la consommation d’´nergie des nœuds restants.
                            e


3.2.3    Les 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´seau
                      e                                  e             e
de capteurs en organisant les nœuds capteurs en un nombre maximal d’ensembles
de couverture qui sont activ´s successivement. Quand un ensemble est actif, les
                            e
capteurs constituant cet ensemble sont responsables de la couverture de tous les
points de la zone d’int´rˆt et de la transmission des donn´es collect´es tandis que
                       ee                                 e          e
les 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´thodes
                                                                              e
utilis´es pour r´duire la consommation d’´nergie des nœuds capteurs et consiste a
      e         e                        e                                      `
alterner leur fonctionnement en une mode active et une mode veille. L’algorithme
aborde 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´seau
e                e                                                   e      e

Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
3.3. Techniques distribu´es
                        e                                                         33



et consid`re la dur´e de vie du r´seau comme l’intervalle de temps durant lequel
         e         e             e
chaque objectif (zone cible) du r´seau est couvert par au moins un nœud capteur.
                                 e
Il se propose d’allonger la dur´e de vie du r´seau en divisant les nœuds en un
                               e             e
nombre d’ensembles non-disjoints de telle fa¸on que chaque ensemble couvre ` lui
                                            c                              a
seul tous les objectifs du r´seau. Ces ensembles sont activ´s ` tour de rˆle de telle
                            e                              e a           o
sorte 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                               e
r´seau, du moment o` les nœuds sont programm´s pour alterner de l’´tat actif `
 e                 u                        e                     e          a
l’´tat veille, compar´ au cas o` tous les nœuds du r´seau sont tous continuellement
  e                  e         u                    e
actifs.



3.3       Techniques distribu´es
                             e

3.3.1     Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy : LEACH

    Les capteurs sont utilis´s pour d´tecter des ph´nom`nes du milieu physique,
                            e        e             e   e
d’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
                                                     e
d´roulement de cette op´ration. Cependant la plupart de ces protocoles soit ne
 e                     e
tiennent pas en compte des contraintes ´nerg´tiques des r´seaux de capteur soit ils
                                       e    e            e
ne sont pas optimaux. Ainsi, LEACH est un protocole qui vient palier ` quelques
                                                                     a
uns 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             e


    LEACH est un protocole qui utilise des techniques de randomisation pour
distribuer la charge d’´nergie entre les nœuds du r´seau [HCB00]. LEACH est
                       e                           e

Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
3.3. Techniques distribu´es
                        e                                                                       34



compl`tement distribu´. Il ne requiert aucun contrˆle de la station centrale de base
     e               e                            o
et 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 de
cluster . Dans d’autres algorithmes o` les
                                     u                chefs de cluster sont choisis et fix´s
                                                                                         e
a priori, il est remarqu´ que ces nœuds s’´puisent rapidement et ´puise aussi la
`                       e                 e                      e
dur´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
                                                                           e
pour d´terminer la position du chef de cluster de telle fa¸on que celle-ci puisse
      e                                                   c
varier entre tous les nœuds du r´seau afin de ne pas ´puiser toute l’´nergie d’un
                                e                   e               e
seul nœud. Egalement, LEACH effectue localement une fusion de donn´es afin de
                                                                 e
r´duire la quantit´ de donn´es qui doit ˆtre transmise depuis les clusters vers la
 e                e        e            e
station de base, en plus de r´duire l’´nergie consomm´e et donc d’augmenter la
                             e        e              e
dur´e de vie du r´seau.
   e             e


    Les capteurs se d´signent pour ˆtre chef de cluster avec une certaine proba-
                     e             e
bilit´. Ils envoient aux autres nœuds un message broadcast contenant leur statut.
     e
Chacun de ces autres nœuds d´termine alors le cluster auquel il veut appartenir en
                            e
indiquant le chef de cluster avec lequel une communication n´cessiterait le moins
                                                            e
d’´nergie. Cela revient, la plupart du temps 1 , a choisir le chef de cluster qui est le
  e                                              `
plus proche de lui. Une fois que tous les nœuds sont organis´s en clusters, chaque
                                                            e
chef de cluster cr´e un planning au sein de son cluster. Celui-ci a pour but d’in-
                  e
diquer ` tous les nœuds ordinaires du cluster d’´teindre leur dispositif radio et de
       a                                        e
ne les rallumer que lors de l’op´ration de transmission du chef de cluster. On note
                                e
   1. En effet, cela n’est pas toujours le cas. Le nœud peut choisir comme chef de cluster un nœud
tr`s ´loign´ lorsqu’ ` cause d’inf´rences ou d’autres difficult´s techniques, la communication avec
  e e      e         a            e                           e
les autres chefs de cluster qui sont plus proches de lui est rendue plus difficile qu’avec le chef de
cluster ´loign´.
        e      e


Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal
  e    e                                                  e e
3.3. Techniques distribu´es
                        e                                                          35



ainsi une r´duction de l’´nergie consomm´e par les autres nœuds. C’est aussi le
           e             e              e
nœud chef de cluster qui est charg´ de faire une agr´gation des donn´es qu’il re¸oit
                                  e                 e               e           c
des autres nœuds de son cluster et de les transmettre ensuite ` la station de base.
                                                              a
Ceci permet de compresser la taille des donn´es transmises et donc de r´duire le
                                            e                          e
nombre de communications. Le r´seau y gagne en ´conomie d’´nergie vu que la
                              e                e          e
fusion de donn´es consomme moins d’´nergie que la communication.
              e                    e


   Comme sous-entendu plus haut, le chef de cluster consomme plus d’´nergie que
                                                                    e
les autres nœuds ordinaires du fait de toutes les tˆches qui lui sont assign´es. Afin
                                                   a                        e
de r´partir cette consommation d’´nergie a travers tout le r´seau, le chef de cluster
    e                            e       `                  e
va varier au fil du temps et, ` diff´rentes p´riodes, un autre nœud se d´signe chef
                             a    e        e                          e
de cluster. Ainsi, en un temps t1 , un ensemble C de nœuds s’auto-d´signe chefs
                                                                   e
de clusters et en t1 + d, un autre ensemble C de nœuds va prendre le relais et
devenir chefs de clusters a son tour, d´pendant de la quantit´ d’´nergie qui reste
                          `            e                     e e
a ces nœuds, comme le montre la figure 3.1. De cette fa¸on, ce sont toujours les
`                                                     c
nœuds avec le plus de r´serve d’´nergie qui se verront assigner les tˆches les plus
                       e        e                                    a
consommatrices de ressources au sein du r´seau.
                                         e


D´tails de l’algorithme LEACH
 e

   L’ex´cution de LEACH est divis´e en rounds de telle sorte que chaque round
       e                         e
d´bute avec une phase d’initialisation, dans laquelle se fait l’organisation des clus-
 e
ters, suivie d’une phase constante dans laquelle a lieu les transferts de donn´es vers
                                                                              e
la station de base. En vue de r´duire les consommations de ressources, la phase
                               e
constante est longue compar´e ` la phase d’initialisation.
                           e a




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  e    e                                                  e e
3.3. Techniques distribu´es
                        e                                                               36




Figure 3.1 – Clusters dynamiques : (a) cluster C en un temps t1 . (b) cluster C
en un temps t1 + d. Les noeuds marqu´s d’un mˆme symbole appartiennent au
                                        e          e
mˆme cluster. Les chefs de cluster sont repr´sent´s par un gros point.
  e                                         e    e

La phase d’annonce Initialement lors de la cr´ation des clusters, chaque nœud
                                             e
d´cide de devenir ou non un chef de cluster pour le round courant. Cette d´cision
 e                                                                        e
est bas´e sur le pourcentage sugg´r´ 2 de chefs de clusters dans le r´seau et du
       e                         ee                                  e
nombre de fois que le nœud a ´t´ auparavant chef de cluster. Le nœud n d´cide de
                             ee                                         e
devenir chef de cluster en choisissant un nombre al´atoire compris entre 0 et 1. Si
                                                   e
ce nombre est plus petit qu’un seuil T (n), alors le nœud n devient chef de cluster.
Le seuil est ainsi d´termin´ :
                    e      e
                                 
                                            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 est
    u                       e e
                                                                       1
l’ensemble de nœuds qui n’ont pas ´t´ chefs de cluster dans les
                                  ee                                   P
                                                                           derniers rounds.
Durant le round 0 (r = 0), chaque nœud a une probabilit´ P de devenir chef de
                                                       e
cluster. Les nœuds qui seront chefs de cluster au round 0 ne pourront pas le devenir
  2. Ce pourcentage est d´termin´ ` priori.
                         e      ea


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  e    e                                                  e e
Optimisation centralisée et distribuée de la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil
Optimisation centralisée et distribuée de la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil
Optimisation centralisée et distribuée de la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil
Optimisation centralisée et distribuée de la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil
Optimisation centralisée et distribuée de la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil
Optimisation centralisée et distribuée de la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil
Optimisation centralisée et distribuée de la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil
Optimisation centralisée et distribuée de la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil
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  • 1. é é é é é é é 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, e e a ` mon d´funt et tr`s regrett´ papa Ibrahima Cisse, e e e a ` ma formidable famille, et ` toutes ces personnes sp´ciales qui ont, durant toutes ces ann´es, ´t´ mes a e e ee compagnons de tous les jours et une deuxi`me famille pour moi. Ceux l` qui e a n’ont cess´ de partager avec moi leur sympathie, leur chaleur, leur estime et leur e indulgence. i
  • 3. Remerciements Je tiens a remercier en premier lieu M. Ousmane Thiare qui a accept´ de m’en- ` e cadrer pour ce travail. Je lui dis merci pour la confiance qu’il m’a accord´e et pour e ses pertinentes id´es et fructueux conseils. Je remercie aussi M. Maissa Mbaye e pour 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 et e ` professoral de l’UFR de Sciences appliqu´es et de Technologies qui a assur´ ma e e formation. Je lui suis, pour cela, tr`s reconnaissant. e Je remercie finalement, toute personne qui, de pr`s ou de loin, a contribu´ ` la e ea r´ussite de ce travail. e ii
  • 4. Liste des acronymes ADC Analogic to Digital Converter ASCENT Adaptive Self-Configuring sEnsor Networks Topologies DARPA Defense Advanced Research Projects Agency GAF Geographic Adaptive Fidelity GPS Global Positioning System IoT Internet of Things PDA Personal Digital Assistant PEAS Probing Environment Adaptive Sleeping QoS Quality of Service RdCSF R´seaux de Capteurs Sans Fil e iii
  • 5. iv UAV Unmanned Air Vehicle WINS Wireless Integrated Network Sensors Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 6. Table des figures 2.1 Anatomie d’un noeud capteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil . . . . . . . . . . . . . 10 e 2.3 Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans fil . . . . . . . 11 e 2.4 Tracking vehicles with a UAV-delivered sensor network . . . . . . . 14 2.5 SIstema de Seguimiento y VIgilancia Ambiental . . . . . . . . . . . 16 2.6 Interfaces de contrˆle du syst`me . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 o e 2.7 La plateforme Senslab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1 Clusters dynamiques : (a) cluster C en un temps t1 . (b) cluster C en un temps t1 + d. Les noeuds marqu´s d’un mˆme symbole e e appartiennent au mˆme cluster. Les chefs de cluster sont repr´sent´s e e e par un gros point. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2 Perte d’´nergie dans le r´seau par rapport au nombre de chefs de e e cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 v
  • 7. Table des figures vi 3.3 Exemple simplifi´ d’autoconfiguration d’un r´seau . (a) Trou de e e 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 e e 3.6 Extension de la dur´e de vie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 e A.1 Anatomie du capteur TelosB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 8. Liste des tableaux A.1 Quelques capteurs et leurs fonctionnalit´s . . . . . . . . . . . . . . . 55 e A.2 Quelques capteurs et leurs caract´ristiques techniques . . . . . . . . 55 e vii
  • 9. Table des mati`res e 1 Introduction 1 2 G´n´ralit´s sur les r´seaux de capteurs sans fil e e e e 4 2.1 Anatomie d’un noeud capteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil . . . . . . . . . . . . . e 8 2.3 Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans fil . . . . . . . 10 e 2.4 Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil . . . . . 12 e e 2.4.1 Applications m´dicales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 e 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 2.5 Les contraintes de conception et d’exploitation . . . . . . . . . . . . 18 2.5.1 La tol´rance aux fautes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 e 2.5.2 Le passage ` l’´chelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 a e viii
  • 10. Table des mati`res e ix 2.5.3 L’aspect coˆt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 u 2.5.4 Les contraintes mat´rielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 e 2.5.5 L’environnement et la topologie du r´seau . . . . . . . . . . 22 e 2.5.6 La consommation d’´nergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 e 3 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 e 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´seaux e e de capteurs a longue dur´e de vie : PEAS ` e . . . . . . . . . . 44 4 Conclusions 50 A 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 . . . . . . . . 54 e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 11. CHAPITRE 1 Introduction 1
  • 12. 2 es r´centes avanc´es de la micro-´lectronique et des technologies sans fil ont e e e L acc´l´r´ le processus de miniaturisation des ´quipements. Le contrˆle et le ee e e o suivi des ph´nom`nes physiques deviennent alors beaucoup plus ais´s. De nou- e e e velles applications, autrefois dangereuses ou trop couteuses voire irr´alisables sont e d´sormais possibles grˆce a de petits appareils ´lectroniques sans fils appel´s nœuds e a ` e e capteurs. Ces derniers sont d´ploy´s dans un environnement et sont d`s lors ca- e e e pables de recueillir diff´rents types de donn´es provenant de ce milieu, de les traiter e e ou de les acheminer en plus de pouvoir communiquer entre eux grˆce ` un dispositif a a radio dont ils sont ´quip´s. Lorsqu’ils sont utilis´s en quantit´ et de fa¸on colla- e e e e c borative, ils constituent un r´seau de capteurs et sont ` l’origine d’applications e a pouss´es dans le domaine militaire et dans celui de la m´decine entre autres. e e Dans la plupart des cas, il s’agit d’applications ` temps r´el dans des mi- a e lieux o` l’acc`s est difficile et quelquefois impossible a l’homme. En effet, les cap- u e ` teurs peuvent ˆtre d´ploy´s au fond de l’oc´an, dans un champ de bataille, etc. e e e e Ceci 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, e respecter des sp´cifications li´es a la taille et a la consommation d’´nergie. En ef- e e ` ` e fet, contrairement aux nœuds capteurs, d’autres ´quipements ´lectroniques comme e e les t´l´phones portables, les PDAs, ou autres appareils ´lectroniques sont la plu- ee e part du temps sous la main de l’homme qui se charge de leur maintenance et de leur entretien. La batterie d’un t´l´phone portable, par exemple, est facilement ee rechargeable apr`s ´puisement. Les nœuds capteurs aussi disposent d’une source e e d’´nergie assez limit´e mais ne b´n´ficient pas cependant d’une possibilit´ de re- e e e e e charge manuelle. Ces facteurs repr´sentent autant de contraintes auxquelles font e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 13. 3 face ces ´quipements rendant ainsi la plupart des algorithmes et protocoles, con¸us e c pour les r´seaux sans fil, inadapt´ aux r´seaux de capteurs. De nouvelles techniques e e e sont alors mises sur point afin de tenir compte des exigences des r´seaux de cap- e teurs sans fil li´es a leur coˆt, a l’anatomie des nœuds c’est-`-dire de type mat´riel, e ` u ` a e mais aussi et surtout li´es a leur dur´e de vie. L’impossibilit´ d’une recharge ma- e ` e e nuelle et le besoin d’assurer une longue dur´e de fonctionnement aux applications e qui en d´coulent ont fait que plusieurs chercheurs se concentrent actuellement sur e la conception d’algorithmes qui tiendront en compte le facteur ´nergie pour les e r´seaux de capteurs en optimisant leur dur´e de vie. e e Ce m´moire de master vient s’inscrire dans une logique d’´tude de quelques e e techniques d’optimisation de la dur´e de vie des r´seaux de capteurs sans fil. Il fait e e ressortir des proc´d´s utilis´s pour r´duire la consommation d’´nergie des nœuds e e e e e capteurs tels que la succession alternative des nœuds capteurs dans l’ex´cution des e tˆches, l’organisation du r´seau en clusters, la division des nœuds en hi´rarchie a e e entres autres m´thodes de la litt´rature. Pour cela, nous avons, apr`s ce premier e e e chapitre introductif, parl´ des g´n´ralit´s sur les r´seaux de capteurs sans fil au e e e e e deuxi`me chapitre. Cela pour mieux les cerner. Ensuite, au troisi`me chapitre, e e nous nous sommes concentr´s sur l’´tude de quelques techniques d’optimisation de e e leur dur´e de vie que nous avons s´par´es en techniques centralis´es et techniques e e e e distribu´es. Finalement, c’est au quatri`me et dernier chapitre que nous avons fait e e une conclusion de ce travail et ouvert quelques perspectives. Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 14. CHAPITRE 2 G´n´ralit´s sur les r´seaux de capteurs sans fil e e e e 4
  • 15. 5 Sommaire 2.1 Anatomie d’un noeud capteur . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil . . . . . . e 8 2.3 Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans e fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4 Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs e e sans fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.4.1 Applications m´dicales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 12 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 2.5 Les contraintes de conception et d’exploitation . . . . 18 2.5.1 La tol´rance aux fautes . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 18 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 . . . . . . . . e 22 2.5.6 La consommation d’´nergie . . . . . . . . . . . . . . . . e 23 Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 16. 2.1. Anatomie d’un noeud capteur 6 a micro-´lectronique a connu au cours de cette d´cennie une avanc´e fulgurante e e e L causant ainsi la miniaturisation progressive des ´quipements. Les r´seaux de e e capteurs sans fil sont une cons´quence de cet essor. Ils sont de plus en plus am´lior´s e e e et sont dot´s d’une puissance de calcul sans cesse grandissante. Leur organisation e en r´seau r´v`le toute leur utilit´ non seulement dans le milieu industriel, mili- e e e e taire, environnemental mais aussi dans la vie de chaque jour de l’homme. Ils sont d´ploy´s en grand nombre dans diff´rents milieux pour y effectuer diverses tˆches. e e e a Cependant, ces capteurs de par leur taille, leur coˆt ou de par l’environnement u dans lequel ils sont d´ploy´s peuvent pr´senter des difficult´s dans leur conception e e e e et leur exploitation. Nous allons, tout au long de ce chapitre, montrer comment est constitu´e la e plus 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 petites e a e e entit´s. Ensuite, la section suivante exposera les diff´rentes applications qui sont e e faites des r´seaux de capteurs sans fil dans les domaines m´dicaux, militaires, e e environnementaux, domestiques et commerciaux. Enfin, nous clorons ce chapitre en faisant ressortir les contraintes qui peuvent se pr´senter ` la conception et a e a ` l’exploitation d’un r´seau de capteurs. e 2.1 Anatomie d’un noeud capteur Un nœud capteur ou ”mote” en anglais est constitu´ d’´l´ments de telle sorte e ee qu’il peut a lui seul assurer les tˆches d’acquisition et de traitement de l’informa- ` a Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 17. 2.1. Anatomie d’un noeud capteur 7 tion. Il peut aussi communiquer avec les autres nœuds. Ceci fait que le capteur est constitu´ de quatre composants de base : e – une unit´ d’acquisition g´n´ralement subdivis´e en deux sous unit´s que e e 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 variations e e e du milieu ambiant. Ils sont utilis´s pour une grande vari´t´ de ph´nom`nes e ee e e physiques (acc´l´ration, concentration chimique...). Ils r´pondent a une va- ee e ` 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 e e d’exploitation sp´cifique. Elle acquiert les informations en provenance de e 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- e e cation qui est responsable de toutes les ´missions et r´ceptions de donn´es e e e 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 e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 18. 2.2. Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil e 8 capteur. Son rˆle est de stocker et de fournir l’´nergie n´cessaire au fonction- o e e nement 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 pile e AA 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 e unit´s additionnelles comme un syst`me de localisation (GPS), une unit´ de mo- e e e bilit´, etc. Il est pr´sent´ a l’annexe A sous forme de tableaux quelques exemples e e e` de capteurs. Figure 2.1 – Anatomie d’un noeud capteur 2.2 Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil e Dans la plupart des cas, les nœuds capteur sont utilis´s en grand nombre et e d´ploy´s de fa¸on tr`s dense dans un milieu. Ils sont capables de communiquer e e c e entre eux et sont donc utilis´s comme un r´seau d’´quipements sans fil. Indivi- e e e duellement, ils sont capables de collecter des donn´es de leur environnement, de e les traiter localement mais ils peuvent aussi communiquer entre eux pour achemi- Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 19. 2.2. Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil e 9 ner l’information vers un poste central en utilisant leur dispositif radio. Chaque nœud capteur du r´seau est capable de transmission et de r´ception de donn´es. e e e En g´n´ral, il existe dans le r´seau un ou plusieurs nœuds sp´ciaux appel´s nœuds- e e e e e puits ou ”sink”. Ces derniers poss`dent plus de ressources et de puissance que les e autres types de nœuds du r´seau et permettent, en plus de la r´cup´ration des e e e donn´es, l’interconnexion du r´seau de capteurs avec d’autres types de r´seaux e e e (Internet, satellite. . .). Dans un r´seau de capteurs, les nœuds peuvent ˆtre fixes e e ou dot´s de syst`me de mobilit´ pour pouvoir se d´placer. L’environnement dans e e e e lequel sont d´ploy´s les nœuds est appel´ la zone d’int´rˆt. e e e ee Dans un r´seau de capteurs sans fil, des points d’agr´gation peuvent ˆtre in- e e e troduits. Cela a pour but de r´soudre le probl`me de la consommation d’´nergie e e e [MAK08]. En effet, la communication entre les nœuds consomme beaucoup d’´nergie. e Ainsi ceci a pour but de r´duire cette communication entre les nœuds en pri- e vil´giant celle entre les points d’agr´gation. Pour minimiser la consommation e e d’´nergie, un type de regroupement appel´ ”clustering” peut aussi ˆtre appliqu´. e e e e Un chef du cluster joue le rˆle d’un point d’agr´gation. Les nœuds sont organis´s o e e en groupes, chaque groupe a un ”chef de cluster”. La communication au sein d’un groupe doit passer a travers le chef, qui ensuite la transmet ` un autre chef du ` a cluster voisin jusqu’` ce qu’il atteigne sa destination, la station de base. a Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 20. 2.3. Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans fil e 10 Figure 2.2 – Architecture d’un r´seau de capteurs sans fil e 2.3 Architecture en couches des r´seaux de cap- e teurs sans fil Du fait du grand nombre de fonctionnalit´s impl´ment´es dans les r´seaux de e e e e capteurs, l’architecture de ces derniers est particuli`rement complexe. L’architec- e ture en couches dans les RdCSF comme dans les r´seaux en g´n´ral, veut r´duire e e e e cette 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 e e diff´rentes couches. e Cette architecture est repr´sent´e sur la figure 2.3 et tient compte des contraintes e e li´es au routage et a la consommation d’´nergie, int`gre la gestion des donn´es e ` e e e grˆce aux protocoles de routage de donn´es, permet la communication a moindre a e ` ´nergie grˆce aux dispositifs sans fil, anime la collaboration des nœuds capteurs. e a Le d´coupage consiste en une couche physique, une couche liaison de donn´es, une e e couche r´seau, une couche transport, une couche application ; un plan de gestion e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 21. 2.3. Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans fil e 11 Figure 2.3 – Architecture en couches des r´seaux de capteurs sans fil e de l’´nergie, un plan de gestion de mobilit´ et un plan de gestion des tˆches. e e a En fonction de l’usage qui est fait du r´seau de capteurs, diff´rentes types d’ou- e e tils exploitant la couche application peuvent ˆtre d´velopp´s. La couche transport e e e permettra de maintenir le flux de donn´es. La couche r´seau pourra s’occuper du e e routage des donn´es qui lui seront pr´sent´es par la couche transport. Puisque, e e e les nœuds capteurs sont aussi d´ploy´s en grand nombre, la couche liaison de e e donn´es se chargera d’´viter les collisions qui peuvent ˆtre dues aux communica- e e e tions simultan´es. La couche physique, quant a elle, assurera les besoins non moins e ` importantes de modulation, de r´ception et d’´mission. En plus de ces couches, les e e plans de gestion de l’´nergie, de la mobilit´ et des tˆches g`rent la consommation e e a e d’´nergie, les d´placements et la distribution des tˆches entre les nœuds capteurs. e e a Ils aident les nœuds capteurs ` coordonner les taches de d´tection et de limiter la a e consommation d’´nergie. e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 22. 2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil e e 12 2.4 Les diff´rentes applications des r´seaux de e e capteurs sans fil Un r´seau de capteurs peut ˆtre constitu´ de diff´rentes sortes de nœuds cap- e e e e teurs capables de d´tecter diff´rents ph´nom`nes physiques tels que les ph´nom`nes e e e e e e sismiques, magn´tiques, thermiques, visuels, acoustiques entre autres. Ils sont de e ce fait utilis´s pour contrˆler une large vari´t´ de conditions du milieu ambiant e o ee comme [ASSC02] la temp´rature, l’humidit´, les d´placements des v´hicules, la e e e e luminosit´, la pression, les caract´ristiques du sol, le niveau de bruit, la pr´sence e e e ou 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- e e sager toute une nouvelle vague d’applications dans des domaines diff´rents. Dans e la suite, nous allons d´tailler l’usage qui est fait des capteurs dans les milieux de e la sant´, les milieux militaires, environnementaux, domestiques et dans quelques e milieux commerciaux. 2.4.1 Applications m´dicales e Les applications des r´seaux de capteurs sans fils dans le domaine m´dical e e permettent dans les hˆpitaux de r´aliser la surveillance des patients, de faire la o e diagnostique, d’assurer normalement l’administration de m´dicaments. Elles per- e mettent de surveiller dans d’autres milieux les d´placements et transformations e des insectes et autre animaux. Les r´seaux de capteurs sans fil y sont aussi uti- e lis´s pour surveiller les patients et les m´decins au sein de l’hˆpital mais ´galement e e o e pour faciliter l’´tude de la physiologie humaine. En effet, les donn´es physiologiques e e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 23. 2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil e e 13 collect´es par un capteur peuvent ˆtre conserv´es pendant une longue p´riode et e e e e utilis´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 e C+ 95]. Ils ont non seulement l’avantage de permettre au m´decin de pouvoir e d´tecter assez tˆt les symptˆmes[N+ 98], mais aussi d’empˆcher l’alitement du pa- e o o e tient, qui pourra vaquer ` ses occupations, lui procurant ainsi une meilleure qua- a lit´ 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 Grenoble e e e e e (France) a travers le projet ”Health Smart Home” [NHR+ 00]. ` Les capteurs peuvent ´galement ˆtre implant´s dans le corps humain pour e e e contrˆler 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 e e recevoir des images en temps r´el d’une partie du corps sans aucune chirurgie et e pendant environ 24h. On peut ainsi surveiller la progression d’une maladie ou la reconstruction d’un muscle. Un projet actuel consiste a cr´er une r´tine artificielle ` e e compos´e de cent micro-capteurs pour corriger la vue [MAK08]. e 2.4.2 Applications militaires La recherche militaire est l’un des principaux domaines utilisant la technologie des r´seaux de capteurs sans fil. En effet, une grande partie de la croissance ra- e pide dans la recherche et le d´veloppement des r´seaux de capteurs sans fil a ´t´ e e ee garantie par des programmes financ´s par l’Agence am´ricaine pour les Projets e e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 24. 2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil e e 14 de Recherche Avanc´e de D´fense (DARPA), notamment grˆce ` un programme e e a a connu sous le nom de ”SensIT” [KAC09]. Les r´seaux de capteurs peuvent ˆtre utilis´s pour la surveillance des champs de e e e bataille 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 e e des munitions et des ´quipements des corps militaires[ASSC02]. En effet l’´tat des e e munitions des troupes peut ˆtre constamment surveill´ grˆce a des capteurs qui e e a ` sont reli´s aux v´hicules ou aux armes et qui renvoient de temps en temps l’´tat e e e de 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 e e a a ”Unmanned Air Vehicle” (UAV). La figure 2.4 repr´sentent quelques images de e l’op´ration qui a dur´ trois jours. e e Figure 2.4 – Tracking vehicles with a UAV-delivered sensor network Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 25. 2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil e e 15 2.4.3 Applications environnementales Dans le milieu environnemental aussi, les r´seaux de capteurs gardent toute e leur importance. Les capteurs sont d´ploy´s en grand nombre et dans la plupart e e du 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 ´vitant e e que celui-ci devienne incontrˆlable. Dans le milieu de l’agriculture, les r´seaux de o e capteurs offrent aussi la possibilit´ de pouvoir surveiller les cultures. Ils fournissent e en temps r´el des informations relatives au volume de pesticides dans les sols, a la e ` vitesse de l’´rosion et au niveau de pollution de l’air. Diff´rentes sciences d’´tude de e e e l’environnement font recours aux technologies des capteurs. Il peut s’agir d’´tudier e les mouvements des oiseaux, des petits animaux et des insectes ou de surveiller l’´tat de la r´colte et du b´tail, de contrˆler l’irrigation des terres ou mˆme de faire e e e o e des ´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 e e e e des r´seaux de capteurs[Dim]. Ce syst`me a ´t´ r´alis´ sur une superficie de 210 e e ee e e hectares dans le nord du pays et a eu pour but de fournir ` diff´rentes organisations a e une infrastructure de surveillance de l’environnement et la possibilit´ de recevoir e des alarmes d’avertissement. Les figures 2.5 et 2.6 servent a illustrer ce syst`me. ` e 2.4.4 Applications domestiques Avec la miniaturisation progressive, les capteurs sont de plus en plus int´gr´s e e aux ´quipements de la tous les jours. Les t´l´phones portables, les ordinateurs, les e ee Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 26. 2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil e e 16 Figure 2.5 – SIstema de Seguimiento y VIgilancia Ambiental Figure 2.6 – Interfaces de contrˆle du syst`me o e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 27. 2.4. Les diff´rentes applications des r´seaux de capteurs sans fil e e 17 fours a micro-ondes et mˆme les cl´s de voitures sont ´quip´s de capteurs. Dans ` e e e e la maison, l’aspirateur, le r´frig´rateur, la t´l´vision int`grent des capteurs. La e e ee e domotique fait usage des r´seaux de capteurs pour fournir dans les maisons, les e hˆtels ou les lieux publics des fonctions de confort (gestion d’´nergie, optimisation o e de l’´clairage et du chauffage), de s´curit´ (alarme, vid´osurveillance, gardiennage) e e e e et de communication (commandes a distance, signaux visuels ou sonores). ` Quelques travaux [BBC10] ont consist´ ` l’utilisation des r´seaux de capteurs ea e sans fil pour r´duire la consommation d’´nergie des appareils ´lectroniques de la e e e maison. Les r´seaux de capteurs sans fil constituent aussi une brique de l’Internet des e objets (IoT pour Internet of Things). Ce dernier repr´sente l’extension d’Internet e aux 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, e de l’inventaire, la surveillance de la qualit´ des produits, la construction de bureaux e intelligents, le contrˆle environnemental (climatisation, sonorisation, etc.) dans les o entreprises, les jeux et les mus´es interactifs, l’automatisation et le contrˆle des e o processus dans l’industrie, etc.[ASSC02] Un syst`me de r´seau de capteurs sans fil peut ˆtre install´ pour contrˆler le flux e e e e o d’air et de temp´rature dans diff´rentes parties d’une pi`ce. On estime qu’une telle e e e technologie peut r´duire l’´nergie de telle fa¸on a faire des ´conomies a hauteur de e e c ` e ` Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 28. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation 18 55 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’une e e e grande utilit´ car permettant en temps r´el de renvoyer la position g´ographique e e e de la voiture a un nœud central. ` 2.5 Les 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- e ficult´. Il existe des contraintes li´es a la conception de celui ci qui peuvent ˆtre e e ` e d’ordre multiple. La conception de protocoles et d’algorithmes doivent d`s lors en e tenir compte pour ˆtre le plus optimal possible. Ces contraintes vont aussi influen- e cer l’exploitation du r´seau de capteurs sans fil. Nous d´taillerons ici quelques une e e de ces contraintes, cependant cette liste n’est pas exhaustive. 2.5.1 La tol´rance aux fautes e La tol´rance aux fautes est l’aptitude d’un syst`me informatique ` accomplir sa e e a fonction malgr´ la pr´sence ou l’occurrence de fautes, qu’il s’agisse de d´gradations e e e physiques du mat´riel, de d´fauts logiciels, d’attaques malveillantes, d’erreurs d’in- e e teraction 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 e capteurs d´fectueux) ou plus fr´quemment a un manque d’´nergie. Les interactions e e ` e externes (chocs, interf´rences) peuvent aussi ˆtre la cause des dysfonctionnements. e e Afin que les pannes n’affectent pas la tˆche premi`re du r´seau, il faut ´valuer a e e e la capacit´ du r´seau ` fonctionner sans interruption [KAC09]. L’exemple donn´ e e a e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 29. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation 19 dans [KPSV] montre un cas de tol´rance aux fautes dans un r´seau de capteurs e e sans fil. 2.5.2 Le passage ` l’´chelle a e Dans un r´seau de capteurs sans fil, le nombre de nœuds d´ploy´s dans l’´tude e e e e d’un ph´nom`ne est g´n´ralement de l’ordre de centaines voire de milliers. En e e e e exemple, la plateforme Senslab [sen] met a disposition 1024 nœuds-capteurs r´partis ` e sur quatre sites en France ` savoir Grenoble, Lilles, Rennes et Strasbourg (cf. figure a 2.7). Figure 2.7 – La plateforme Senslab De ce fait, les algorithmes et protocoles con¸us pour les r´seaux de capteurs c e sans fil doivent ˆtre a mˆme de s’adapter a ce nombre extensible de nœuds. Les e ` 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´gal e e e e
  • 30. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation 20 2.5.3 L’aspect coˆ t u Par d´finition, un r´seau de capteurs sans fil consiste en un grand ensemble e e de nœuds capteurs. Suivant l’usage qui en est fait, un r´seau de capteurs peut e comporter jusqu’` des milliers de nœuds. Il s’en suit d`s lors que le coˆt d’un a e u nœud capteur va fortement influencer celui de tout le r´seau. Clairement, le coˆt e u de chaque nœud capteur doit ˆtre faible pour que celui du r´seau soit acceptable. e e Il est a noter aussi qu’en fonction de l’application, le nœud capteur peut ˆtre ` e dop´ grˆce ` des ´quipements suppl´mentaires comme un syst`me de localisation, e a a e e e un composant de mobilit´ pour qu’il puisse ˆtre capable de d´placements ou un e e e g´n´rateur d’´nergie. Toutes ces unit´s additionnelles ont un coˆt suppl´mentaire. e e e e u e Ainsi elles augmentent les fonctionnalit´s du r´seau de capteurs mais ´galement le e e e coˆt de celui-ci [ASSC02]. u 2.5.4 Les contraintes mat´rielles e Un nœud capteur est g´n´ralement compos´ de quatre composants basiques : e e e une unit´ de d´tection, une unit´ de traitement, un transceiver et une source e e e d’´nergie. Le plus souvent et en fonction de l’application, des unit´s additionnelles e e peuvent ˆtre incorpor´es au capteur. Il s’agit d’un syst`me de localisation, d’un e e e g´n´rateur d’´nergie et d’une unit´ de mobilit´ pour la plupart du temps. D`s lors, e e e e e e la difficult´ est que tous ces composants doivent ˆtre ajust´s a l’int´rieur d’un dis- e e e ` e positif de la taille d’une boite d’allumette. Pour certains usages, le nœud capteur doit avoir une taille plus petit qu’un centim`tre cube et peser assez l´ger pour e e pouvoir ˆtre suspendu. Compte tenu des fonctionnalit´s toujours extensibles, ces e e contraintes 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´gal e e e e
  • 31. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation 21 tion d’un r´seau de capteurs sans fil [AV10]. e Les contraintes dues a la taille des nœuds rendent la capacit´ de stockage ` e d’´nergie assez faible. Par exemple la quantit´ totale d’´nergie stock´e dans un e e e e nœud smartdust 1 est de l’ordre de 1 J [PK00]. Pour les syst`mes WINS [VWPK00], e la moyenne d’´nergie ne doit pas d´passer 30 µA pour esp´rer une longue dur´e e e e e de vie du syst`me. e Cependant, bien que les avanc´es technologiques permettent de plus en plus e une grande puissance de calcul dans de petits ´quipements a des prix d´risoires, e ` e la puissance de calcul des nœuds capteurs actuels est significativement plus petite que celle de plusieurs autres syst`mes embarqu´s ` cause de la taille et du prix. e e a Par 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 RAM o e de 512 octets et une m´moire morte EEPROM de 512 octets aussi. Ces capacit´s e e ont ´t´ accrues avec les nœuds SunSPOT et Imote2. SunSPOT est ´quip´ d’un ee e e processeur 32 bit ARM920T de 180 MHz, d’une RAM de 512 KB et d’une m´moire e flash de 4 MB. Imote2 dispose quant a lui d’un microcontrˆleur Marvell PXA271 ` o XScale de 416 MHz, une SRAM de 256 KB, d’une m´moire flash de 32 MB et e d’une SDRAM de 32 MB. Il apparait clairement alors que les capacit´s des nœuds e capteurs vont augmenter, toutefois, ces valeurs fournies ne repr´sentent rien com- e par´es aux capacit´s d’autres types de syst`mes embarqu´s comme les PDA ou e e e e 1. Smartdust est un syst`me de nombreux petits appareils micro-´lectrom´caniques comme e e e les capteurs, les robots ou d’autres ´quipements, qui peuvent par exemple d´tecter la lumi`re, la e e e temp´rature, la vibration, le magn´tisme ou des produits chimiques ; qui g´n´ralement commu- e e e e niquent sans fil, et qui sont r´partis sur une certaine espace pour effectuer des tˆches de d´tection. e a e C’est un concept introduit par la DARPA. Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 32. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation 22 les smartphones [AV10]. Par cons´quent, les applications des r´seaux de capteurs e e ainsi que les protocoles con¸us doivent tenir compte de ces contraintes mat´rielles. c e 2.5.5 L’environnement et la topologie du r´seau e Les nœuds capteurs sont d´ploy´s au sein du milieu ` observer ou assez proche e e a de celui-ci. Ce milieu est la plupart du temps difficile d’acc`s a l’homme. Ceci fait e ` que les capteurs sont habituellement dans des r´gions ´loign´es et sans surveillance. e e e Ils 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 e sont embarqu´s. e La topologie du r´seau est aussi un facteur ` prendre en compte dans la concep- e a tion du r´seau de capteurs sans fil. En effet, le grand nombre de capteurs qui sont e dans des milieux inaccessibles et donc sans surveillance ni maintenance est d`s lors e sujet ` de fr´quentes d´faillances. Cela entraine une modification p´riodique de la a e e e topologie du r´seau de capteurs. e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 33. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation 23 2.5.6 La consommation d’´nergie e Dans les r´seaux de capteurs, l’´nergie est tr`s importante car elle est rare. e e e Le nœud capteur ´tant un ´quipement micro-´lectronique est muni d’une source e e e d’´nergie limit´e. Or contrairement aux ordinateurs portables et aux ´quipements e e e de poche comme les t´l´phones portables qui b´n´ficient d’une constante attention ee e e et maintenance, les capteurs par leur grand nombre, mais aussi par le fait qu’ils sont la plupart du temps parsem´s dans des milieux hostiles ` l’homme, ne peuvent e a pas faire l’objet d’une recharge manuelle. Bien que certaines techniques de collecte d’´nergie dans l’environnement existent, la consommation d’´nergie demeure l’une e e des contraintes majeures dans l’exploitation des r´seaux de capteurs sans fil. En e effet 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´es e o e et de routeur. Le dysfonctionnement de quelques nœuds pourrait causer d’im- portantes modifications dans la topologie et pourrait n´cessiter un autre routage e des paquets en plus de la r´organisation du r´seau. De ce fait, la conservation e e et la gestion de l’´nergie prennent une importance suppl´mentaire. C’est pour e e ces raisons que plusieurs chercheurs se concentrent actuellement sur la conception d’algorithmes et de protocoles qui tiendront en compte le facteur ´nergie pour les e r´seaux de capteurs. e Dans d’autres types de r´seaux sans fil, la consommation d’´nergie est une e e contrainte importante mais pas la contrainte majeure, simplement par le fait que les sources d’´nergie peuvent ˆtre remplac´es lorsqu’elles sont ´puis´es [ASSC02]. e e e e e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 34. 2.5. Les contraintes de conception et d’exploitation 24 Dans ces r´seaux, l’accent est plus port´ sur la qualit´ de service (QoS). Cependant e e e dans les r´seaux de capteurs, l’´nergie est une importante mesure de performance. e e Ainsi, les protocoles peuvent ˆtre con¸us en compromettant d’autres mesures de e c performance 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 e siques, de faire un traitement local et de transmettre de l’information. Toutes ces trois requi`rent de l’´nergie, faisant que la consommation d’´nergie d’un nœud cap- e e e teur peut ˆtre subdivis´e en celle n´cessaire pour la d´tection, une autre n´cessaire e e e e e pour le traitement local et une derni`re n´cessaire pour la communication. De e e toutes ces tˆches, c’est dans l’ex´cution de cette derni`re que le nœud capteur a e e consomme le plus d’´nergie. Ceci concerne aussi bien la r´ception que la transmis- e e sion de donn´es. e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 35. CHAPITRE 3 Techniques d’optimisation de la dur´e de vie e 25
  • 36. 26 Sommaire 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 les e r´seaux de capteurs ` longue dur´e de vie : PEAS . . . e a e 44 Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 37. 27 l est a noter que les r´seaux de capteurs sans fil ont beaucoup de similitudes ` e I avec les r´seaux ad-hoc sans fil. En effet ces deux types de r´seaux sont tous des e e r´seaux sans infrastructure, ont une architecture d´centralis´e, utilisent les ondes e e e radio 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 e propri´t´s des r´seaux ad-hoc. ee e Cependant, les r´seaux de capteurs pr´sentent aussi beaucoup de fonctionna- e e lit´s qui leur sont sp´cifiques et donc non pr´sentes dans les r´seaux ad-hoc. Ce e e e e sont ces fonctionnalit´s qui am`nent de nouveaux challenges et qui doivent ˆtre e e e prises en compte dans la conception des protocoles et autres techniques pour les r´seaux de capteurs sans fil. Parmi ces diff´rences [MAK08] : e e – la densit´ de nœuds d´ploy´s est beaucoup plus importante dans les r´seaux e e e 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 e e e – 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 diffusion e 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 la e ` e faible dur´e de vie des r´seaux de capteurs. De ce fait, nous exposons dans ce e e chapitre, diff´rentes techniques non-exhaustives d’optimisation de cette dur´e de e e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 38. 3.1. La dur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans fil e e 28 vie. Nous ressortirons d’abord la notion de dur´e de vie d’un r´seau de capteurs e e sans fil a travers les diff´rentes d´finitions qu’elle revˆt en fonction de l’objectif vis´ ` e e e e dans l’exploitation du r´seau. Puis, nous aborderons les techniques centralis´es ` e e a travers l’algorithme de Berman et al., les travaux de Zhang et Hou et ceux de Cardei et al. Apr`s cela, nous passerons aux techniques distribu´es en pr´sentant e e e diff´rents algorithmes et protocoles comme LEACH, ASCENT, PEAS de Fan Ye e et Gary Zhong, PEAS-Weibull et PECAS. 3.1 La 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 e e e e de capteurs sans fil. Comme nous l’avons dit dans la sous-section 2.5.6, les nœuds capteurs sont des ´quipements sans contrˆle avec une dur´e de vie limit´e. Le e o e e r´seau peut rapidement cesser de fonctionner normalement a cause d’une d´viation e ` e ou d’un manque de planning et puisqu’un r´seau de capteurs est g´n´ralement uti- e e e lis´ pour une longue dur´e sans possibilit´ de recharge, prolonger sa dur´e de vie e e e e devient primordial. Selon l’objectif ou les hypoth`ses pris en compte, il y’a plusieurs d´finitions de e e la dur´e de vie du r´seau. Elle est souvent consid´r´e comme la dur´e qui s’´coule e e ee e e depuis la mise en place du r´seau jusqu’` l’´puisement de la source d’´nergie d’un e a e e premier nœud. Bien que la redondance des nœuds peut, dans ce cas, permettre au r´seau de continuer a fonctionner. Une autre d´finition est la dur´e qui s’´coule e ` e e e jusqu’au moment o` le nombre de capteurs ´puis´s atteint un seuil d´termin´. u e e e e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 39. 3.1. La dur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans fil e e 29 Une d´finition plus r´aliste est de consid´rer la dur´e de vie du r´seau comme la e e e e e dur´e qui s’´coule depuis la mise en place du r´seau jusqu’au moment o` celui-ci e e e u devient incapable d’accomplir les tˆches qui lui sont assign´es. La couverture est a e l’activit´ premi`re d’un r´seau de capteurs sans fil. Elle est d’ailleurs g´n´ralement e e e e e consid´r´e comme la QoS du r´seau. Elle repr´sente de ce fait un bon objectif qui ee e e peut ˆtre pris en compte dans l’´tude de l’optimisation de la dur´e de vie du r´seau e e e e de capteurs. Le nœud capteur est compos´ de quatre principales unit´s (voir section 2.1). e e C’est la source d’´nergie qui fournit de l’´nergie aux trois autres composants et e e toute activit´ de ces trois derniers que ce soit la d´tection, le traitement, la trans- e e mission et la r´ception de donn´es consomme de l’´nergie [QUN07]. Il est connu e e e que les op´rations de communication des nœuds (transmission et r´ception de e e donn´es) sont les plus consommatrices d’´nergie. De ce fait, r´duire la consomma- e e e tion d’´nergie de leur dispositif radio est une technique de conservation d’´nergie e e et d’optimisation de la dur´e de vie du r´seau. Des techniques de planification e e de l’activit´ des nœuds (actif, en veille, inactif, . . .) sont ´galement utilis´es pour e e e augmenter la long´vit´ du r´seau de capteurs. Elles sont appel´es techniques de e e e e duty cycling . Aussi, dans les r´seaux de capteurs organis´s en clusters, des e e chefs de clusters sont s´lectionn´s pour accomplir des tˆches (comme la mobilit´ e e a e dans le but d’´quilibrer l’´nergie) visant ` allonger la dur´e de vie du r´seau. e e a e e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 40. 3.2. Techniques centralis´es e 30 3.2 Techniques centralis´es e 3.2.1 L’algorithme de Berman et al. Berman et al. ont, dans leur document [BCSZ05] mis l’accent sur la r´duction e de la consommation d’´nergie due ` la d´tection (sensing) en utilisant des tech- e a e niques intelligentes d’ordonnancement. Ils ont d´fini la dur´e de vie comme ´tant e e e le temps durant lequel la zone d’int´rˆt est partiellement ou totalement couverte. ee Ils ont propos´ un algorithme pour d´terminer un planning de la surveillance qui e e allonge la dur´e de vie du r´seau lorsqu’il faut couvrir une q − portion de la zone e e d’int´rˆt. Pour cela, ils ont mis en place une structure de donn´es pour repr´senter ee e e la zone d’int´rˆt avec n2 points, n ´tant le nombre de capteurs garantissant une ee e couverture totale. Leur algorithme prend en compte la surveillance partielle et le cout de la communication lorsque la port´e de la communication est au moins deux e fois plus large que celle de la couverture. Il est suppos´ dans le document que des capteurs sont dispers´s dans la r´gion e e e R 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. e Il est aussi consid´r´ que chaque capteur pi a une quantit´ d’´nergie initiale bi ee e e qui peut ˆtre mesur´e par le temps durant lequel pi peut collecter des informa- e e tions provenant de Ri . Le nombre de nœuds d´ploy´s est largement sup´rieur au e e e nombre de nœuds n´cessaire pour couvrir la zone. Ainsi il est possible de rendre e inactifs certains nœuds pour sauvegarder leur ´nergie et prolonger la dur´e de vie e e du r´seau. Les capteurs sont capables d’alterner leur ´tat plusieurs fois cependant e e la zone d’int´rˆt R doit ˆtre ` tout moment soit compl`tement soit partiellement ee e a e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 41. 3.2. Techniques centralis´es e 31 couverte par les nœuds actifs. Berman et al ont donn´ une d´finition formelle du probl`me de la r´duction e e e e de la consommation d’´nergie. Ils ont consid´r´ comme ´tant le planning de la e ee e couverture l’ensemble de couples (C1 , t1 ), . . . , (Ck , tk ) avec Ci ´tant un ensemble e de capteurs couvrant la zone d’int´rˆt R et ti le temps durant lequel Ci est ac- ee tif. Ainsi, consid´rant une zone d’int´rˆt R, un ensemble de capteurs p1 , . . . , pn , e ee une r´gion de couverture Ri et une ´nergie initiale bi pour chacun d’entre eux, le e e probl`me de la dur´e de vie du r´seau se r´sume a trouver un planning de couver- e e e e ` ture (C1 , t1 ), . . . , (Ck , tk ) avec la plus grande dur´e t1 + . . . + tk , de telle fa¸on que e c pour chaque capteur pi la p´riode totale d’activit´ ne d´passe pas bi . e e e 3.2.2 Les travaux de Zhang et Hou Honghai Zhang et Jennifer Hou ont ´tudi´ le probl`me de la prolongation de la e e e dur´e de vie d’un r´seau de capteurs sans fil en consid´rant celle-ci comme ´tant e e e e le temps durant lequel au moins une portion α de la zone d’int´rˆt est couverte. ee Ils ont appel´ cette dur´e de vie α-lifetime. Ils ont propos´ un algorithme qui fait e e e une planification de l’activit´ des nœuds pour allonger le α-lifetime d’un r´seau de e e capteurs sans fil. Zhang et Hou ont ´tudi´ le probl`me de la dur´e de vie du r´seau e e e e e dans le cas o`, a tout moment, seulement α portion de la zone d’int´rˆt doit ˆtre u ` ee e couverte (avec 0 < α < 1). L’algorithme d´termine un nombre maximum de sous e ensembles disjoints de telle sorte que les nœuds de chaque sous ensemble puissent couvrir au moins une portion α de la zone d’int´rˆt. Il planifie les moments d’ac- ee tivit´ et d’inactivit´ des nœuds. Pour cela, il choisit un sous ensemble de nœuds e e qui devra ˆtre actif a chaque round. e ` Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e 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 e e e possible soit de d´ployer un tr`s grand nombre de nœuds comme dans le cas des e e algorithmes distribu´s ou de faire la concession de laisser une petite portion de la e zone d’int´rˆt non couverte. Pour ce dernier cas, l’algorithme devra d`s le d´but ee e e indiquer une α-couverture de la zone d’int´rˆt, o` α repr´sente le pourcentage de la ee u e zone d’int´rˆt qui ne pourra pas ˆtre couverte. Leur ´tude a aussi laiss´ apparaitre ee e e e que choisir dans chaque round un nombre minimal de nœuds qui vont assurer la couverture est moins optimale que de choisir un ensemble de nœuds qui vont minimiser la consommation d’´nergie des nœuds restants. e 3.2.3 Les 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´seau e e e de capteurs en organisant les nœuds capteurs en un nombre maximal d’ensembles de couverture qui sont activ´s successivement. Quand un ensemble est actif, les e capteurs constituant cet ensemble sont responsables de la couverture de tous les points de la zone d’int´rˆt et de la transmission des donn´es collect´es tandis que ee e e les 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´thodes e utilis´es pour r´duire la consommation d’´nergie des nœuds capteurs et consiste a e e e ` alterner leur fonctionnement en une mode active et une mode veille. L’algorithme aborde 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´seau e e e e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 43. 3.3. Techniques distribu´es e 33 et consid`re la dur´e de vie du r´seau comme l’intervalle de temps durant lequel e e e chaque objectif (zone cible) du r´seau est couvert par au moins un nœud capteur. e Il se propose d’allonger la dur´e de vie du r´seau en divisant les nœuds en un e e nombre d’ensembles non-disjoints de telle fa¸on que chaque ensemble couvre ` lui c a seul tous les objectifs du r´seau. Ces ensembles sont activ´s ` tour de rˆle de telle e e a o sorte 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 e r´seau, du moment o` les nœuds sont programm´s pour alterner de l’´tat actif ` e u e e a l’´tat veille, compar´ au cas o` tous les nœuds du r´seau sont tous continuellement e e u e actifs. 3.3 Techniques distribu´es e 3.3.1 Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy : LEACH Les capteurs sont utilis´s pour d´tecter des ph´nom`nes du milieu physique, e e e e d’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 e d´roulement de cette op´ration. Cependant la plupart de ces protocoles soit ne e e tiennent pas en compte des contraintes ´nerg´tiques des r´seaux de capteur soit ils e e e ne sont pas optimaux. Ainsi, LEACH est un protocole qui vient palier ` quelques a uns 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 e LEACH est un protocole qui utilise des techniques de randomisation pour distribuer la charge d’´nergie entre les nœuds du r´seau [HCB00]. LEACH est e e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 44. 3.3. Techniques distribu´es e 34 compl`tement distribu´. Il ne requiert aucun contrˆle de la station centrale de base e e o et 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 de cluster . Dans d’autres algorithmes o` les u chefs de cluster sont choisis et fix´s e a priori, il est remarqu´ que ces nœuds s’´puisent rapidement et ´puise aussi la ` e e e dur´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 e pour d´terminer la position du chef de cluster de telle fa¸on que celle-ci puisse e c varier entre tous les nœuds du r´seau afin de ne pas ´puiser toute l’´nergie d’un e e e seul nœud. Egalement, LEACH effectue localement une fusion de donn´es afin de e r´duire la quantit´ de donn´es qui doit ˆtre transmise depuis les clusters vers la e e e e station de base, en plus de r´duire l’´nergie consomm´e et donc d’augmenter la e e e dur´e de vie du r´seau. e e Les capteurs se d´signent pour ˆtre chef de cluster avec une certaine proba- e e bilit´. Ils envoient aux autres nœuds un message broadcast contenant leur statut. e Chacun de ces autres nœuds d´termine alors le cluster auquel il veut appartenir en e indiquant le chef de cluster avec lequel une communication n´cessiterait le moins e d’´nergie. Cela revient, la plupart du temps 1 , a choisir le chef de cluster qui est le e ` plus proche de lui. Une fois que tous les nœuds sont organis´s en clusters, chaque e chef de cluster cr´e un planning au sein de son cluster. Celui-ci a pour but d’in- e diquer ` tous les nœuds ordinaires du cluster d’´teindre leur dispositif radio et de a e ne les rallumer que lors de l’op´ration de transmission du chef de cluster. On note e 1. En effet, cela n’est pas toujours le cas. Le nœud peut choisir comme chef de cluster un nœud tr`s ´loign´ lorsqu’ ` cause d’inf´rences ou d’autres difficult´s techniques, la communication avec e e e a e e les autres chefs de cluster qui sont plus proches de lui est rendue plus difficile qu’avec le chef de cluster ´loign´. e e Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 45. 3.3. Techniques distribu´es e 35 ainsi une r´duction de l’´nergie consomm´e par les autres nœuds. C’est aussi le e e e nœud chef de cluster qui est charg´ de faire une agr´gation des donn´es qu’il re¸oit e e e c des autres nœuds de son cluster et de les transmettre ensuite ` la station de base. a Ceci permet de compresser la taille des donn´es transmises et donc de r´duire le e e nombre de communications. Le r´seau y gagne en ´conomie d’´nergie vu que la e e e fusion de donn´es consomme moins d’´nergie que la communication. e e Comme sous-entendu plus haut, le chef de cluster consomme plus d’´nergie que e les autres nœuds ordinaires du fait de toutes les tˆches qui lui sont assign´es. Afin a e de r´partir cette consommation d’´nergie a travers tout le r´seau, le chef de cluster e e ` e va varier au fil du temps et, ` diff´rentes p´riodes, un autre nœud se d´signe chef a e e e de cluster. Ainsi, en un temps t1 , un ensemble C de nœuds s’auto-d´signe chefs e de clusters et en t1 + d, un autre ensemble C de nœuds va prendre le relais et devenir chefs de clusters a son tour, d´pendant de la quantit´ d’´nergie qui reste ` e e e a ces nœuds, comme le montre la figure 3.1. De cette fa¸on, ce sont toujours les ` c nœuds avec le plus de r´serve d’´nergie qui se verront assigner les tˆches les plus e e a consommatrices de ressources au sein du r´seau. e D´tails de l’algorithme LEACH e L’ex´cution de LEACH est divis´e en rounds de telle sorte que chaque round e e d´bute avec une phase d’initialisation, dans laquelle se fait l’organisation des clus- e ters, suivie d’une phase constante dans laquelle a lieu les transferts de donn´es vers e la station de base. En vue de r´duire les consommations de ressources, la phase e constante est longue compar´e ` la phase d’initialisation. e a Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e
  • 46. 3.3. Techniques distribu´es e 36 Figure 3.1 – Clusters dynamiques : (a) cluster C en un temps t1 . (b) cluster C en un temps t1 + d. Les noeuds marqu´s d’un mˆme symbole appartiennent au e e mˆme cluster. Les chefs de cluster sont repr´sent´s par un gros point. e e e La phase d’annonce Initialement lors de la cr´ation des clusters, chaque nœud e d´cide de devenir ou non un chef de cluster pour le round courant. Cette d´cision e e est bas´e sur le pourcentage sugg´r´ 2 de chefs de clusters dans le r´seau et du e ee e nombre de fois que le nœud a ´t´ auparavant chef de cluster. Le nœud n d´cide de ee e devenir chef de cluster en choisissant un nombre al´atoire compris entre 0 et 1. Si e ce nombre est plus petit qu’un seuil T (n), alors le nœud n devient chef de cluster. Le seuil est ainsi d´termin´ : e e  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 est u e e 1 l’ensemble de nœuds qui n’ont pas ´t´ chefs de cluster dans les ee P derniers rounds. Durant le round 0 (r = 0), chaque nœud a une probabilit´ P de devenir chef de e cluster. Les nœuds qui seront chefs de cluster au round 0 ne pourront pas le devenir 2. Ce pourcentage est d´termin´ ` priori. e ea Pr´sent´ et soutenu par Papa Cheikh Cisse | UGB St-Louis S´n´gal e e e e