Généralités sur les réseaux de capteurs sans fil

Généralités sur les réseaux de capteurs sans fil

Introduction

Une des principales fonctionnalités dans la conception de RCSF est le routage. Le problème de routage consiste à déterminer et à maintenir le chemin le plus adapté pour faire transiter les paquets de données d’une source vers une destination. Cette fonctionnalité doit ainsi prendre en considération les propriétés inhérentes des capteurs (contraintes énergétiques et celles de calcul et de capacité mémoire) afin d’assurer les meilleures performances du système : durée de vie, fiabilité, temps de réponse, etc. Cependant, diverses contraintes liées aux réseaux de capteurs impliquent la conception de nouveaux protocoles de routage qui diffèrent de ceux dédiés aux réseaux ad hoc. Nous présenterons dans ce chapitre un état de l’art des principaux protocoles de routage dans les réseaux RCSF car la présentation de ces protocoles nous permettra de mieux analyser leur fonctionnement.

Contraintes de routage dans les réseaux de capteurs sans fil

Le routage dans les réseaux de capteurs diffère de celui des réseaux ad hoc dans les points suivants: • Il n’est pas possible d’établir un système d’adressage global pour le grand nombre de nœuds. • Les applications des réseaux de capteurs exigent l’écoulement de données mesurées depuis des sources multiples vers la destination finale « station de base ». • Les différents capteurs peuvent générer les mêmes données à proximité d’un phénomène (problème de la redondance des données).  • Les nœuds capteurs exigent ainsi une gestion soigneuse des ressources en particulier la ressource d’énergie. En effet, les protocoles de routage dans les réseaux de capteurs doivent [24]: • Etre basés sur un échange réduit de messages vus les contraintes énergétiques et celles de calcul et de capacité mémoire. • Supporter un nombre élevé de capteurs dont les adresses peuvent être inconnues lors du déploiement. • Etre robustes puisque tous les nœuds capteurs peuvent jouer le rôle de routeurs. • Opérer dans des topologies qui soient même aléatoires.

Classification des protocoles de routage dans les RCSF

Selon la structure de réseau, les protocoles de routage dans les réseaux de capteurs sans fil peuvent être découpés en trois familles: les algorithmes de routage plats, hiérarchiques ou géographiques.

Protocoles plats
Le routage plat est le modèle le plus simple où tous les capteurs sont égaux et jouent les mêmes rôles, c’est à dire ont les mêmes fonctions à exécuter sauf la station de base qui est chargée de collecter toutes les informations issues des différents nœuds capteurs pour les transmettre vers l’utilisateur final. La décision d’un nœud de router des paquets vers un autre dépendra de sa position et pourra être remise en cause au cours du temps.

Protocoles basés sur la localisation (géographiques)
Le routage géographique met l’accent sur le fait que chaque nœud connait ses coordonnées géographiques et utilise celles de la destination finale d’un paquet pour les décisions de routage. Dans ce qui suit on va présenter quelques protocoles de routage géographiques dans les RCSF na) GEAR (Geographicand Energy Aware Routing) Yu et al. [3] ont suggéré l’utilisation de l’information géographique tout en diffusant les requêtes pour s’approprier les régions puisque les requêtes de données comprennent souvent des attributs géographiques. Le protocole, nommé GEAR, utilise les heuristiques de l’énergie et de la sélection du voisin informé géographiquement pour acheminer un paquet vers la région cible. L’idée est de limiter le nombre des intérêts dans le protocole DD (Directed Diffusion) [26] en ne considérant une région plutôt que d’envoyer les intérêts à l’ensemble du réseau. De cette manière, GEAR améliore le protocole DD et donc économise plus d’énergie. Dans GEAR, chaque nœud maintient par le biais de ses voisins un coût estimé et un coût d’apprentissage de leur destination. Le coût estimé est une combinaison de l’énergie résiduelle et de la distance à la destination. Le coût d’apprentissage est une amélioration du coût estimé qui compte pour le routage autour des trous dans le réseau. b) GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing) Originellement conçu pour les réseaux ad hoc mobiles (Mobile Ad Hoc Networks ou MANETs), le protocole de routage GPSR [4] s’est très rapidement vu s’adapter aux réseaux de capteurs. GPSR dispose d’une technique de transmission gloutonne (Greedy Forwarding) pour l’acheminement des paquets vers la destination. Basé sur la métrique de proximité par calcul  de distance, ce mode glouton fait référence à la sélection du voisin le plus proche de la destination comme prochain saut pour le transfert d’un paquet. En fait, par une découverte de voisinage préalable grâce l’échange de messages beacons, chaque nœud dispose des coordonnées géographiques de ses voisins à un saut. Le paquet est ainsi transmis et relayé saut par saut en procédant à chaque étape à la sélection du voisin le plus proche de la destination. Occasionnellement, la technique « Greedy Forwarding » peut rencontrer quelques désagréments dans la mesure où le nœud courant peut se trouver plus proche de la destination finale que tous ses voisins, et que la destination finale reste inaccessible en un seul saut i.e. présence d’un trou de routage. GPSR recourt à la technique « Perimeter Forwarding » qui est basée sur la règle de la main droite. Ce mode est évoqué quand la technique « Greedy Forwarding » est prise à l’échec, de ce fait la technique « Perimeter Forwarding » consiste à router le paquet autour du trou dans le sens contraire des aiguilles d’une montre jusqu’à atteindre un nœud capable d’effectuer la progression gloutonne.

Protocoles hiérarchiques
L’objectif principal de routage hiérarchique est de maintenir efficacement la consommation d’énergie des nœuds capteurs en les impliquant dans la communication multisauts dans ungroupe de nœuds particuliers, appelé cluster et en effectuant l’agrégation et la fusion de données afin de diminuer le nombre de messages redondants transmis à la station de baseLa formation des clusters est généralement basée sur la réserve d’énergie de capteurs et de la proximité du capteur au chef du groupe, appelé clusterhead (CH) [chatpfe.com]. a) LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) LEACH [29] est l’une des premières approches de routage hiérarchiques pour les réseaux de capteurs sans fil. Son principe est de former des groupes de nœuds capteurs en se basant sur la force du signal reçu et utiliser les clusterheads locaux comme routeurs vers la station de base. Cela permettra d’économiser de l’énergie puisque les transmissions ne seront faites que par des CHs plutôt que tous les nœuds de réseaux. Tous les traitements de données telles que la fusion et l’agrégation de données sont faits par les CHs. Les nœuds prennent le rôle de CH aléatoirement et d’une manière périodique afin d’équilibrer la dissipation d’énergie des nœuds. b) Energy-aware routing for cluster-based sensor networks Younis et al. [30] ont proposé un algorithme de routage hiérarchique basé sur une architecture à trois niveaux. Les capteurs sont regroupés en groupes (clusters) avant l’opération du routage. L’algorithme utilise des clusterheads, nommés aussi passerelles, qui sont moins contraintes en énergie que les autres capteurs de réseaux et supposés qu’ils connaissent
l’emplacement des autres nœuds. Les passerelles maintiennent les états des capteurs et mettent en place des itinéraires multi-sauts pour la collecte des données. La technique TDMA est utilisée par les nœuds pour envoyer les données à la passerelle. Celle-ci informe chaque nœud sur les slots dans lesquels il devrait écouter la transmission aux autres nœuds et les slots que le nœud peut utiliser pour sa propre transmission. La station de base communique seulement avec les passerelles. c) TEEN (Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol) TEEN [31] est un protocole hiérarchique conçu pour répondre à des changements soudains dans les attributs détectés telle que la température. La réactivité est importante pour les applications où le temps est un facteur critique, dans lesquelles le réseau fonctionne en mode réactif. Ce protocole utilise un mécanisme centré sur les données. L’architecture de réseau de capteurs est basée sur un regroupement hiérarchique où les nœuds plus étroits forment des clusters et ce processus est récursif pour le deuxième niveau jusqu’à ce que la station de base soit atteinte.

Techniques de routage dans les RCSF

Il existe deux techniques de routage dans les RCSF :

Routage mono-chemin
La plupart des protocoles de routage mono-chemin ont été conçus sans tenir compte des effets de différents débits de données injectés dans le réseau. Dans cette technique de routage, chaque nœud source sélectionne un seul chemin, qui peut satisfaire les exigences de performance de l’application prévue pour la transmission de son trafic vers la station de base. Par conséquent, en raison des ressources limitées des nœuds capteurs et le manque de fiabilité des liaisons sans fil, les approches de routage mono-chemin ne peuvent pas être considérées comme des techniques efficaces pour répondre aux exigences de diverses applications.

Routage multi-chemins
Afin de faire face aux limites de routage mono-chemin, une autre stratégie de routage, appelée routage multi-chemin est utilisée dans les réseaux de capteurs sans fil. Dans le cadre de ce PFE, on met l’accent sur le routage multi-chemins.

Définition de routage multi-chemins
Le routage multi-chemin permet d’envoyer les données sur un ensemble de chemins menant d’une source à une destination. Ce schéma de routage semble être une solution efficace dans les réseaux de capteurs sans fil en permettant de se prémunir contre le problème de rupture de routes et de distribuer le trafic à écouler entre une source et une destination sur plusieurs chemins. Ceci permet d’améliorer les performances des communications et d’agréger les ressources disponibles dans le réseau.

Phases de routage multi-chemins
Le routage multi-chemins est décomposé en trois phases: la découverte de chemins, répartitiondu trafic, et la maintenance de chemins. – Découverte de chemins: cette phase sert à déterminer un ensemble de nœuds intermédiaires qui doivent être sélectionnés pour construire plusieurs chemins entre un nœud source et un nœud station de base. La construction de multichemins est basée sur le degré de disjonction, et selon ce degré deux types de chemins peuvent entre distingués : chemins non-disjoints (chemins qui peuvent avoir des nœuds et des liens en commun) et chemins disjoints. – Répartition de trafic: il existe diverses stratégies d’allocation du trafic sur les chemins disponibles. Un algorithme de sélection de chemin est utilisé pour sélectionner un sous-ensemble de chemins disponibles en fonction de certaines caractéristiques. – Maintenance de chemins: le but de la maintenance de chemins est de valider les chemins existants et de trouver des chemins remplaçants appropriés lorsque l’un des chemins existants devient défaillant.

Avantages
Il existe plusieurs avantages du routage multi-chemin : – L’amélioration de la performance ou la tolérance aux pannes (liens et nœuds), – Agrégat des ressources disponibles, – Améliorer la sécurité du réseau, – L’équilibrage de charge (amélioration de la durée de vie du réseau), – Fiabilité, – Alléger la congestion du réseau, – Réduire la fréquence des découvertes de route.

Inconvénients
Le routage multi-chemins améliore la livraison des paquets par l’envoie des copies multiples d’un même paquet sur des chemins différents. Cependant, cette approche n’est pas très efficace en termes de bande passante et de consommations d’énergie en raison de la grande quantité de messages inutiles transmis, de même la possibilité d’interférences entre chemins.

Les principaux protocoles multi-chemins 

Dans la suite on présente quelques protocoles de routage multi-chemins dédiés aux réseaux de capteurs :

TPGF (Two Phase geographical Greedy Forwarding)
TPGF est un protocole de routage multi chemin reposant sur les informations géographiques afin de faciliter l’établissement de chemins disjoints à la demande [5]. Cet algorithme détermine le plus court chemin vers la destination avec évitement des vides par marquage. Par une exécution répétée ce protocole est capable de définir, à la demande, les meilleurs chemins disjoints vers la station de base. TPGF opère en deux phases : une première pour l’exploration des chemins potentiels vers le puits, et la seconde pour l’optimisation de ces chemins.

MPMPS (Multi-Priority Multi-Path Selection)
MPMPS [33] définit des niveaux de priorité pour chacun des flux audio et vidéo en fonction de l’application considérée : par exemple une plus haute priorité du flux vidéo dans un contexte de détection d’intrusion, par contre le flux audio le remporte dans le cadre d’une surveillance sous-marine. Les chemins sont ensuite établis en fonction de la priorité de chaque flux. Ces approches orientées QoS assurent un approvisionnement suffisant en bande passante des applications multimédia.

DGR (Directional Geographical Routing)
DGR Sert à aborder le problème du streaming vidéo H.26L en temps réel sur un WMSN contraint en ressources (bande passante, énergie, . . .) consistant en quelques capteurs vidéo et plusieurs capteurs scalaires [34]. Par la combinaison d’un schéma de routage multi chemin avec la technique de codage d’erreur FEC (Forward Error Correction), le protocole DGR construit en fonction de l’application un nombre proportionnel de chemins disjoints pour un nœud vidéo afin de transmettre des flux vidéo protégés en parallèle dans un environnement peu fiable restreint en bande passante. Afin de répondre aux caractéristiques de la transmission vidéo, les chemins multiples dans DGR contribuent à l’équilibrage de la charge, l’agrégation de bande passante et la réduction de délais de transmission de paquets.

Conclusion

Ce chapitre est consacré aux protocoles de routage dans les RCSF, ces derniers sont classés en trois catégories : les protocoles plats, les protocoles hiérarchiques et les protocoles basés sur la localisation. Ainsi ces protocoles utilisent soit un routage mono-chemin ou bien un routage multi-chemins. Dans le chapitre qui suit, nous améliorons GPSR de telle sorte qu’il soit un protocole multi-chemins pour bénéficier des avantages des schémas de routage multi-chemins.

Table des matières

Liste des figures
Liste des abréviations
Introduction générale
Chapitre 1 Généralités sur les réseaux de capteurs sans fil
1.1 Introduction
1.2 Nœud capteur
1.2.1 Définition d’un capteur
1.2.2 Capteur intelligent
1.2.3 Composants d’un nœud capteur
1.3 Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF)
1.3.1 Définition d’un RCSF
1.4 Types des RCSF
1.4.1 Réseaux de capteurs terrestres
1.4.2 Réseaux de capteurs souterrains
1.4.3 Réseaux de capteurs sous-marins
1.4.4 Réseaux de capteurs multimédias
1.4.5 Réseaux de capteurs mobiles
1.5 Domaines d’applications des RCSF
1.5.1 Applications militaires
1.5.2 Applications médicales
1.5.3 Applications environnementales
1.5.4 Applications domestiques
1.5.5 Applications agricoles
1.5.6 Applications industrielles
1.6 Communications dans les RCSF
1.6.1 Pile protocolaire d’un réseau de capteurs
1.6.2 Technologie de la communication dans les RCSF
1.7 Contraintes de conception des RCSF.
1.8 Conclusio
Chapitre 2 Routage dans les réseaux de capteurs sans fil
2.1 Introduction
2.2 Contraintes de routage dans les réseaux de capteurs sans fil
2.3 Classification des protocoles de routage dans les RCSF
2.3.1 Protocoles plats
2.3.2 Protocoles basés sur la localisation (géographiques)
2.3.3 Protocoles hiérarchiques
2.4 Techniques de routage dans les RCSF
2.4.1 Routage mono-chemin
2.4.2 Routage multi-chemins
2.5 Les principaux protocoles multi-chemins
2.5.1 TPGF (Two Phase geographical Greedy Forwarding)
2.5.2 MPMPS (Multi-Priority Multi-Path Selection)
2.5.3 DGR (Directional Geographical Routing)
2.6 Conclusion.
Chapitre 3 Implémentation : Une version améliorée de GPSR
3.1 Introduction
3.2 Outils de réalisation
3.2.1 OMNeT++ (Objective Modular Network Testbed in C++)
3.2.2 Castalia
3.3 Description de protocole GPSR
3.3.1 Transmission gloutonne (Greedy Forwarding)
3.3.2 Transmission de périmètre (Perimeter Forwarding )
3.4 Implémentation
3.4.1 Implémentation de GPSR_monchemin et GPSR_multichemin
3.4.2 Evaluation des performances de GPSR et de GPSR_Modifié
a) Contexte d’exécution
b) Evaluation du nombre de paquets envoyés
c) Evaluation du nombre de paquets reçus
d) Evaluation du taux d’erreurs
e) Evaluation de la consommation d’énergie
f) Evaluation de la latence
3.5 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie

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