Généralités sur les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs)

Généralités sur les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs)

Architecture matérielle

Un capteur est composé de quatre éléments de base : une unité de perception, de traitement, de communication et une unité de contrôle d’énergie (batterie) [3]. a) L’unité de perception L’unité de perception est composée généralement de deux sous-unités : le capteur luimême et un convertisseur Analogique/Numérique (ADC pour Analog to Digital Converter). Le capteur est chargé de fournir des signaux analogiques, basés sur le phénomène observé, au convertisseur. Ce dernier transforme ces signaux en un signal numérique transmis à l’unité de traitement pour effectuer des analyses [1]. b) L’unité de traitement L’unité de traitement, comprend un processeur associé généralement à une petite unité de stockage et fonctionne à l’aide d’un système d’exploitation spécialement conçu pour les micro-capteurs (TinyOS [4], par exemple). Cette unité est chargée d’exécuter les protocoles de communication qui permettent la collaboration entre les capteurs du réseau. Elle peut aussi analyser les données captées pour alléger la tâche des stations puits. De plus, l’unité de traitement nécessite un stockage pour minimiser la taille des messages transmis et cela en appliquant un traitement local et une agrégation de données [5]. c) L’unité de transmission L’unité de transmission est chargée d’effectuer toutes les émissions et réceptions des données sur un medium sans fil. Elle peut être de type optique (laser), infrarouge ou fréquence radio (RF pour Radio Frequency). Les communications de type optique sont robustes vis-àvis des interférences électriques. Néanmoins, elles présentent l’inconvénient de ne pas pouvoir établir de liaisons entre les entités communicantes, en présence d’obstacles. En plus Chapitre 1 de sa capacité limitée de diffusion, l aux obstacles. Les unités de transmission de type démodulation, filtrage et multiplexage ; ce qui augment production du micro-capteur. suffisamment grande, il est nécessaire d consommée serait importante. d) L’unité de contrôle d’énergie Un micro-capteur est muni d alimenter tous ses composants. Cependant, plupart des cas irremplaçable. L les plus importants, elle est responsable de répartir l réduire les dépenses (par la mise peut aussi gérer des systèmes de rechargement d telles que les cellules solaires Le schéma ci-dessous capteur [3]. Figure Dépendant du domaine d supplémentaires, tel qu’un système de localisation un système générateur d’énergie (cellule peu plus volumineux, dotés d nécessité [7]. Chapitre 1 Présentation des RCSFs et du problème de la couverture de sa capacité limitée de diffusion, l’infrarouge a la même propriété que le laser Les unités de transmission de type RF comprennent des circui démodulation, filtrage et multiplexage ; ce qui augmente la complexité capteur. En effet, pour qu’un nœud ait une portée de communication samment grande, il est nécessaire d’utiliser un signal assez puissant. C consommée serait importante. énergie capteur est muni d’une ressource énergétique, généralement une batterie alimenter tous ses composants. Cependant, cette ressource énergétique irremplaçable. L’unité de contrôle d’énergie constitue donc l lle est responsable de répartir l’énergie sur les par la mise en veille des composants inutiles, par exemple peut aussi gérer des systèmes de rechargement d’énergie à partir de l’environnement observé s que les cellules solaires [6], afin d’étendre la durée de vie totale du réseau dessous fournit une vue globale d’une architecture typique d Figure 1.1 : Architecture d’un nœud capteur sans fil. Dépendant du domaine d’application, un capteur peut cont un système de localisation (GPS pour Global Positioning System énergie (cellules solaires). On peut même trouver des capteurs, un plus volumineux, dotés d’un système mobilisateur chargé de déplacer le capteur en cas de et du problème de la couverture a la même propriété que le laser par rapport comprennent des circuits de modulation, la complexité et le coût de un nœud ait une portée de communication puissant. Cependant, l’énergie généralement une batterie, pour cette ressource énergétique est limitée et dans la énergie constitue donc l’un des systèmes sur les autres modules et de par exemple). Cette unité environnement observé a durée de vie totale du réseau. cture typique d’un nœud

Classification des RCSFs

La conception d’un réseau de capteurs sans fil est orientée application. En conséquence, les architectures et les protocoles de ces réseaux varient selon leur utilité. Cependant, les réseaux de capteurs ont des propriétés en commun et peuvent être classifiés en catégories basées sur plusieurs critères [11]. Selon la distance d’un nœud à une station de base, le réseau de capteurs peut être à un seul saut ou à multi-sauts. Dans un réseau à un seul saut, tous les capteurs transmettent leurs données directement vers une station de base. Tandis que dans un réseau à multi-sauts, les données envoyées transitent par des nœuds intermédiaires qui exécutent alors une fonction de routage. En se basant sur la densité des capteurs, un réseau peut être classifié en réseau agrégeant ou non agrégeant. Dans ce dernier, toutes les données d’un nœud seront envoyées à une destination, le volume des calculs au niveau des nœuds intermédiaires est alors relativement petit. Cependant, la charge du trafic dans le réseau entier peut augmenter, ce qui engendre plus de consommation d’énergie dans les communications. Dans un réseau agrégeant, les nœuds ont moins de densité et suffisamment de capacité, ils sont organisés en clusters (groupes) dont chacun est géré par un cluster head (chef de groupe). Ce dernier recevra des informations à partir de ses voisins et les transmettra vers une station de base. Un réseau de capteurs peut être statique ou dynamique. Ce dernier est constitué d’un ensemble de capteurs mobiles évoluant dans un environnement statique. Dans la plupart des cas, le but d’un tel réseau est l’exploitation de zones inaccessibles ou dangereuses [12], et les nœuds jouent à la fois le rôle de capteurs et d’actionneurs. Un réseau statique est constitué de capteurs fixes servant à la surveillance d’occurrence des évènements sur une zone géographique [13, 14]. Dans ce cas, le réseau n’effectue que la surveillance, les données mesurées sont transmises aux stations puits qui sont chargées de mettre en œuvre les actions nécessaires. Ces stations peuvent être reliées, à l’aide d’une connexion filaire par exemple, à un autre réseau

Table des matières

Liste des Acronymes
Table des matières
Table des figures
Liste des tableaux
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : Présentation des réseaux de capteurs sans fil et du problème de
la couverture
1.1 Introduction
1.2 Généralités sur les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs)
1.2.1 Définition et architecture d’un nœud capteur
1.2.2 Différents types de capteurs
1.2.3 Définition et architecture d’un RCSF
1.2.4 Classification des RCSFs
1.3 Les Domaines d’application
1.4 Facteurs et contraintes de conception d’un RCSF
1.5 Communication dans les RCSFs
1.5.1 La pile protocolaire
1.5.2 Types de communication
1.6 Les principaux défis des RCSFs
1.7 Modélisation d’un RCSF
1.8 Problème de la couverture dans les RCSFs
1.8.1 Les différentes formulations du problème de la couverture
1.8.2 Les types de la couverture
1.8.3 Relation entre la couverture de point et la couverture de zone
1.8.4 Couverture simple et couverture multiple
1.9 Ordonnancement d’activité dans les RCSFs
1.9.1 Gestion de l’ordonnancement
1.9.2 Conservation de l’énergie par ordonnancement
Table des matières
1.9.3 Facteurs d’efficacité des protocoles d’ordonnancement
1.9.4 Hypothèses de la conception d’un protocole d’ordonnancement
1.9.5 Objectifs de la conception des protocoles d’ordonnancement
1.10 Conclusion
Chapitre 2 : Etat de l’art sur les protocoles de couverture dans les réseaux de
capteurs sans fil
2.1 Introduction
2.2 Classification des protocoles de la couverture de surface
2.2.1 Protocoles basés sur la connaissance des positions
2.2.1.1 Protocole utilisant des relais de couverture de surface
2.2.1.2 Protocole affranchi de la découverte du voisinage
2.2.1.3 Protocole basé sur une règle d’éligibilité à être passif
2.2.1.4 Contrôle géographique optimal de densité
2.2.1.5 Protocole à faible coût induit par la communication
2.2.1.6 Discussion des protocoles basés sur les positions
2.2.2 Protocoles indépendants de la connaissance des positions
2.2.2.1 Sondage de l’environnement et sommeil adaptatif
2.2.2.2 Protocole centralisé basé sur les ensembles dominants
2.2.2.3 Contrôle de couverture basé sur la diffusion par couche
2.2.2.4 Maintien de la couverture par deux types de messages
2.2.2.5 Discussion des protocoles indépendants des positions
2.2.3 Protocoles basés sur l’estimation de la distance
2.2.3.1 Tests de redondance géométriques et relatifs à la densité
2.2.3.2 Protocole de couverture configurable
2.2.3.3 Discussion des protocoles basés sur la distance
2.3 Comparaison des protocoles de couverture de surface
2.4 Conclusion
Chapitre 3 : Protocole distribué pour la préservation de la couverture dans les RCSFs
3.1 Introduction
3.2 Motivations
3.3 Le protocole DCovPDS
3.3.1 Description globale du protocole
3.3.2 Caractéristiques principales de DCovPDS
3.3.3 Diagramme de transitions d’états de DCovPDS
3.3.4 Hypothèses du travail
Table des matières
3.3.5 Modèles de communication et de capture
3.3.6 Description détaillée de DCovPDS
3.3.6.1 Rayon de Communication égal au Rayon de Capture
3.3.6.2 Rayon de Communication supérieur au rayon de Capture
3.4 Simulation et analyse des performances
3.4.1 Les paramètres de simulation
3.4.2 Les paramètres de performances
3.4.3 Evaluation de performances
3.4.4 Comparaison des performances
3.4.5 Support de l’hétérogénéité par DCovPDS
3.4.6 Comparaison avec le protocole de Gallais et al.
3.5 Conclusion
Chapitre 4 : Modélisation du protocole DCovPDS par les chaines de Markov
4.1 Introduction
4.2 Notions sur les chaines de Markov
4.2.1 Définition
4.2.2 Représentation graphique
4.2.3 Distribution stationnaire
4.3 Modèle du protocole DCovPDS
4.3.1 Hypothèses
4.3.2 Chaîne de Markov du protocole DCovPDS
4.3.3 Equation d’état de la chaîne de Markov
4.3.4 Résolution des équations d’équilibre
4.4 Etude des performances
4.4.1 Etude des probabilités d’état de la chaîne de Markov
4.4.2 Energie consommée
4.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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