Le routage dans les RCSFs

Les Réseaux de Capteurs Sans Fil

Les progrès dans la mise en réseau et l’intégration ont permis l’émergence de petits noeuds, dit aussi motes, miniaturisés et peu coûteux, capables d’interagir avec leur environnement à travers des capteurs et des actionneurs, et de communiquer entre eux via des liaisons sans fil. Ces motes peuvent fonctionner de manière autonomes pour collecter, traiter et communiquer les informations sur leur environnement. Un RCSF est un réseau auto-organisé qui comprend un grand nombre de noeuds allant de quelques dizaines à plusieurs centaines ou même des milliers de motes, déployés dans une zone d’intérêt (environnement intérieur ou extérieur). La mise en réseau des noeuds capteurs permet de mettre en oeuvre de nombreuses applications, dans le domaine civile et militaire (par ex., l’armée, l’environnement, la santé, la maison, l’agriculture).

Les contraintes de miniaturisation et de faible coût de fabrication font que les noeuds capteurs sont dotés de ressources très limitées en termes de capacité de calcul, espace de stockage, débit de transmission et d’énergie embarquée. Ces limitations motivent une grande partie des problématiques de recherche dans le domaine des RCSFs, à savoir l’énergie, la couverture, la connectivité, le routage, la tolérance aux pannes et la sécurité. L’aspect économie d’énergie est l’une des préoccupation majeure de cette thèse. Une autre contrainte à laquelle font face les RCSFs, est celle de l’irrégularité des portées de transmission radio qui est due à plusieurs facteurs (p. ex., le type d’antenne, les obstacles, les conditions météo) [30, 31]. Ce phénomène est à l’origine de la non fiabilité des liens radio dans les RCSFs. Plusieurs études récentes ont démontré qu’il a un impact négatif sur les protocoles de routage, notamment géographiques [39,41–47, 57]. L’aspect fiabilité des liens entre les noeuds capteurs, lors du routage des paquets d’alerte dans une application de surveillance de zones sensibles clôturées, constitue la deuxième préoccupation de cette thèse.

l’architecture en couches du modèle OSI, largement utilisée dans les réseaux de communication filaires, pourrait ne pas convenir aux réseaux sans fil tels que les réseaux cellulaires, les réseaux mobiles Ad hoc (MANET) et les RCSFs. En effet, les réseaux sans fil ont des particularités qui les distinguent des réseaux filaires conventionnels [48] (nature de diffusion du canal sans fil ainsi que sa nature variante à travers le temps et l’espace), et qui doivent être prises en compte lors de la conception de protocoles au niveau des différentes couches de la pile protocolaire. De surcroît, les RCSFs ont également des caractéristiques différentes des réseaux sans fil traditionnels. En effet, les noeuds capteurs sont dotés de ressources limitées, notamment en termes d’énergie. Par conséquent, une approche émergente, dite Conception Inter-Couches (en Anglais, Cross-Layer Design) (CIC/CLD) [48–53], qui remet en question la philosophie de conception du modèle mono-couches, s’est imposée dans les réseaux sans fil et notamment dans les RCSFs.

Cette nouvelle technique d’optimisation des performances par interaction ou fusion des couches, vise à améliorer les performances globales du réseau sans fil, telles que l’augmentation de la capacité du réseau, l’efficacité énergétique et la qualité de service (QoS). Les deux protocoles proposés dans le cadre de cette thèse, sont basés sur une approche inter-couches par interaction de couches. Ce chapitre est consacré à la présentation d’un état de l’art sur les RCSFs. Nous définissons tout d’abord ce nouveau concept des RCSFs, puis nous énumérons les caractéristiques intrinsèques de ce type de réseaux émergents, les défis auxquels ils font face, leurs types, leurs domaines d’application, leurs systèmes d’exploitation et les outils pour les évaluer. Ensuite, nous décrivons les aspects des couches de la pile protocolaire des RCSFs en insistant sur la nécessité de la conception de nouveaux protocoles, à tous les niveaux de cette pile protocolaire, qui tiennent compte des caractéristiques intrinsèques de ce type de réseaux. La conception inter-couches est décrite comme étant une solution prometteuse pour les RCSFs, dans la mesure elle vise à améliorer les performances globales du réseau sans fil, telles que l’augmentation de la capacité du réseau, l’efficacité énergétique et la qualité de service (QoS). A la fin du chapitre, nous abordons l’interconnection des RCSFs avec les réseaux externes, notamment l’internet, et l’environnement de déploiement des RCSFs. En ce qui concerne ce dernier point, nous décrivons trois modèles de propagation de signaux radio, tout en mettant l’accent sur l’importance de considérer un modèle de propagation radio réaliste lors de l’étude des RCSFs

Définition d’un RCSF

Le concept des RCSFs [17] [62] [63] [60] [64] [18] [65] [11] est le résultat de la convergence de la technologie des Systèmes Micro-Electro-Mécaniques (SMEM), des communications sans fil et de l’électronique numérique. Les RCSFs forment un nouveau type de réseau sans fil avec un nouvel ensemble de caractéristiques et de défis. Un RCSF est constitué de plusieurs noeuds capteurs appelés couramment capteurs, allant de quelques dizaines à plusieurs centaines ou même des milliers, où chaque noeud est connecté à un ou plusieurs autres noeuds via des liaisons sans fil de type Radio-Fréquences (RF), acoustique, optique ou InfraRouge (IR). Ce type de réseaux partage certaines caractéristiques importantes avec les réseaux Ad hoc [60]. Les noeuds capteurs sont dotés de ressources limitées en termes d’énergie, de portée de capture et de communication, de bande passante, de vitesse de traitement et de capacité de stockage. Ils sont déployés, d’une manière aléatoire ou déterministe, dans une zone d’intérêt pour collecter des informations du monde physique, éventuellement les traiter (traitement dans le réseau ou innetwork processing 1) et les transmettre, en utilisant un mode de communication multi-sauts, à un ou plusieurs noeuds collecteurs appelés puits (en anglais sinks).

Les noeuds puits sont souvent plus puissants que les noeuds capteurs ordinaires. Ils pourraient être des PDA, des ordinateurs portables ou des ordinateurs de bureau. Ils peuvent être stationnaires ou mobiles [67]. Un noeud puits peut soit utiliser localement les données provenant des noeuds capteurs, soit les relayer à un centre de décision distant, via une liaison haut débit (internet ou satellite), tel qu’illustré par la Figure 1.3. Les noeuds capteurs constituant un RCSF peuvent être homogènes ou hétérogènes (différents types de capteurs embarqués, différents rayons de capture, différents rayons de communication, différentes puissances de batteries ou différentes vitesses de calcul et capacités de stockage [68]). Ils peuvent être stationnaires ou mobiles. Ils peuvent être au courant de leurs positions à travers le système de positionnement global (GPS) ou une approche de localisation [69–72], ou non.

CIC/CLD par unification de couches adjacentes Consiste à fusionner deux ou plusieurs couches adjacentes de telle sorte que le service fourni par la nouvelle super-couche soit l’union des services fournis par les couches constituantes. Cela ne nécessite aucune nouvelle interface à créer dans la pile protocolaire. Du point de vue architectural, la super-couche peut être interfacée avec le reste de la pile en utilisant les interfaces qui existent déjà dans l’architecture d’origine. Le protocole XLP proposé par Mehmet et al. [147] est le premier protocole qui intègre les fonctionnalités de toutes les couches, à partir de la couche PHY jusqu’à la couche TRAN dans un protocole inter-couches (voir Figure 1.11). Ce protocole assure Les réseaux étendus sans fil (WWANs) et les réseaux métropolitains sans fil (WMAN) offrent la couverture géographique la plus large, parmi les autres classes de réseaux énumérées dans le Tableau 1.4. Les WWANs sont des réseaux sans fil qui peuvent être déployés sur de vastes zones tels que des villes ou des pays. Ils sont principalement constitués de réseaux téléphoniques cellulaires numériques tels que le système mondial de communications mobiles (GSM) et le Système de 38 Les Réseaux de Capteurs Sans Fil télécommunications mobiles universelles (UMTS). Les satellites de communication appartiennent également à cette classe de réseaux. Les WMANs (Wireless Metropolitan Networks) permettent la connexion de plusieurs réseaux dans une région métropolitaine, tels que différents bâtiments dans une ville ou dans un campus universitaire. Les WMANs sont basés sur les standards IEEE 802.16 HIPERMAN.

Les WLANs (Wireless Local Area Network) couvrent une petite zone (maison, bureau ou bâtiment). Ils ont été conçus pour étendre ou remplacer les LAN filaires, dans les cas où le câblage était coûteux ou impossible à réaliser en raison de la mobilité, de la courte durée de vie du réseau ou de la valeur historique des bâtiments. Le standard de base de ces réseaux est le IEEE 802.11 et ses nombreuses extensions pour des vitesses de communication plus élevées, le support de la qualité des services, la sécurité et la mise en réseau maillée. D’autres normes et spécifications industrielles, telles que le réseau local radioélectrique haute performance de type 2 (HIPERLAN/2), la arête d’un graphe domestique (HomeRF) et les télécommunications numériques sans fil améliorées (DECT), sont restées au stade de normalisation. Les WPANs fournissent une interconnexion entre les appareils personnels, incluant les PDAs, les téléphones mobiles, les casques d’écoute et les ordinateurs portables. Bluetooth et IEEE 802.15.3 sont des exemples de WPANs.

Les RCSFs [153] constituent une classe émergente de technologies sans fil qui a récemment suscité beaucoup d’intérêt dans le domaine industriel et académique, et dont la prolifération massive est attendue dans les toutes prochaines années. Contrairement aux WLAN et aux WPAN, les RCSFs sont considérés comme étant à plus grande échelle, auto-organisés et strictement orientés application. Les RCSFs ont été mis en oeuvre en tant que solutions propriétaires [10]. Si nous considérons uniquement les RCSFs sans fil à faible coût, faible consommation d’énergie, faible débit de données et courte portée de communication, le IEEE 802.15.4 LR-WPAN (Low- Rate WPAN) est la norme de communication la plus couramment utilisée pour l’implémentation de ce type de réseaux. Deux autres standards emergents, à savoir, ZigBee et 6LowPAN, basés sur le standard IEEE 802.15.4, sont largement adoptés dans la mise en oeuvre des RCSFs. La technologie d’identification par radio-fréquence (RFID) peut également être considérée comme appartenant à la classe des RCSFs avec une mise à l’échelle et des performances réseau limitées.

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Table des matières

Table des matières
Table des figures
Liste des tableaux
Liste des algorithmes
Liste des abréviations
Introduction générale
Contexte
Motivation
Problématique
Objectifs
Contributions
Structure de la thèse
I Etat de l’art
1 Les Réseaux de Capteurs Sans Fil
1.1 Introduction
1.2 Définition d’un nœud capteur
1.3 Définition d’un RCSF
1.4 Caractéristiques des RCSFs
1.5 Défis dans les RCSFs et mécanismes pour les résoudre
1.6 Types de RCSFs
1.6.1 RCSFs terrestres
1.6.2 RCSFs souterrains
1.6.3 RCSFs sous-marins
1.6.4 RCSFs multimédia
1.6.5 RCSFs mobiles
1.7 Domaines d’application des RCSFs
1.8 Systèmes d’exploitation pour les RCSFs
1.9 Les outils d’évaluation de performance pour les RCSFs
1.9.1 Modélisation analytique
1.9.2 Déploiements réels
1.9.3 Simulateurs pour les RCSFs
1.9.4 Emulateurs
1.9.5 Bancs d’essai RCSFs (WSN testbeds)
1.10 Pile protocolaire pour les RCSFs
1.10.1 Couche physique
1.10.2 Couche liaison de données
1.10.3 Couche réseau
1.10.4 Couche de transport
1.10.5 Couche application
1.11 Conception Inter-Couches (CIC/CLD)
1.11.1 CIC/CLD par interaction de couches
1.11.2 CIC/CLD par unification de couches adjacentes
1.12 Technologies de communication sans fil et les RCSFs
1.13 Interconnection des RCSFs avec les réseaux TCP/IP
1.13.1 Solution basée sur un proxy frontal
1.13.2 Solution basée sur une passerelle
1.13.3 Solution basée sur une connectivité TCP/IP native
1.14 Environnement de déploiement des RCSFs
1.14.1 Modèle de propagation en espace libre
1.14.2 Modèle Log-distance path loss
1.14.3 Modèle log-normal shadowing
1.15 Conclusion
2 Le routage dans les RCSFs
2.1 Introduction
2.2 Défis du routage dans les RCSFs
2.2.1 Consommation d’énergie
2.2.2 Passage à l’échelle
2.2.3 Robustesse
2.2.4 Topologie
2.2.5 Application
2.2.6 Adressage
2.3 Métriques de routage
2.3.1 Nombre de sauts minimal
2.3.2 Energie
2.3.2.1 Energie minimale consommée par paquet
2.3.2.2 Temps maximum pour la partition d’un réseau
2.3.2.3 Variance minimale des niveaux de puissance des nœuds
2.3.2.4 Maximum (moyenne) de la capacité énergétique totale
2.3.2.5 Maximum de la capacité énergétique minimale
2.3.3 QoS
2.3.4 Robustesse
2.4 Classification des protocoles de routage dans les RCSFs
2.4.1 Classification selon la structure du réseau
2.4.1.1 Routage plat
2.4.1.2 Routage hiérarchique
2.4.1.3 Routage géographique
2.4.1.3.1 Routage géographique en mode glouton
2.4.1.3.2 Routage géographique en mode périmètre
2.4.1.3.3 Exemple d’illustration
2.4.1.3.4 Le protocole GPSR
2.4.2 Classification selon le processus de découverte des routes
2.4.2.1 Protocoles réactifs
2.4.2.2 Protocoles proactifs
2.4.2.3 Protocoles hybrides
2.4.3 Classification selon la stratégie de routage du protocole
2.4.3.1 Protocoles basés sur la négociation entre les nœuds capteurs
2.4.3.2 Protocoles basés sur les chemins multiples
2.4.3.3 Protocoles basés sur les requêtes
2.4.3.4 Protocoles basés sur la QoS
2.4.3.5 Protocoles basés sur la cohérence
2.5 Problématique du routage géographique sur un N-UDG
2.5.1 Cas du routage en mode glouton basé sur le nombre de sauts minimal
2.5.2 Cas du routage en mode périmètre
2.5.2.1 Exemples d’échec de routage en mode périmètre
2.5.2.2 Algorithme du GG avec le correctif du témoin mutuel
2.6 Conclusion
II Contributions
3 Protocole de routage géographique inter-couches pour les RCSFs avec des portées radio irrégulières
3.1 Introduction
3.2 Travaux connexes
3.3 Description du modèle réseau utilisé et hypothèses
3.4 Le protocole de routage géographique inter-couches (CL-GR)
3.4.1 La stratégie de routage PSPL
3.4.2 La stratégie de routage MDPSPL
3.4.3 Exemple d’illustration
viii Table des matières
3.5 Description de l’algorithme Enhanced Greedy Routing (E-GR)
3.6 Evaluation des performances
3.6.1 Définition des métriques de performance utilisées
3.6.2 Analyse des résultats
3.6.2.1 Effet de la variation du nombre de nœuds capteurs
3.6.2.2 Effet de la variation du nombre de sources d’alerte
3.6.2.3 Effet de la variation de la taille du paquet d’alerte sur le PDR
3.6.3 Analyse des coûts
3.6.3.1 Coûts de calcul
3.6.3.2 Coûts de communication
3.7 Conclusion
4 Protocole de surveillance inter-couches à efficacité énergétique et fiable dédié aux zones sensibles clôturées
4.1 Introduction
4.2 Travaux connexes
4.3 Description du modèle réseau utilisé et hypothèses
4.4 Description du protocole GPSR-SL
4.4.1 Routage en mode glouton
4.4.2 Routage en mode périmètre
4.5 Protocole de surveillance basé sur GPSR-SL
4.5.1 Identification des nœuds de bordure du RCSF
4.5.2 Routage des messages d’alerte
4.6 Evaluation des performances
4.6.1 Définition des métriques de performance utilisées
4.6.2 Analyse des résultats
4.6.2.1 Effet de la variation de la durée du cycle d’activité
4.6.2.2 Effet de la variation du nombre d’alertes
4.6.2.3 Effet de la variation de l’exposant de l’atténuation de parcours
4.6.2.4 Effet de l’augmentation de la densité du réseau
4.7 Conclusion
Conclusion et perspectives
Conclusion
Perspectives
Publications internationales
Communications internationales
Bibliographie