Les techniques de conservation d’énergie dans les réseaux de capteurs sans fil

Contexte général du travail et problématique

L’évolution technologique récemment connue dans le domaine de l’électronique, mécanique et aussi le domaine de la communication a donné naissance à une nouvelle génération de réseau, les réseaux de capteurs sans fil. Cette nouvelle ère de l’informatique embarquée promet de révolutionner notre façon de vivre, de travailler et d’interagir avec l’environnement physique qui nous entoure. Les nœuds capteurs qui communique via des liens sans fil et qui sont dotés de capacité de calcul et de collecte de données facilitent une gamme d’applications très variée qui a été irréalisable ou trop chère il y’as quelques années.

Ces petits capteurs miniaturés peuvent être dispersés sur des routes, structures1 , des machines ou peuvent être attachés à des êtres humains, des animaux ou des véhicules pouvant ainsi s’intégrer dans de nombreux domaines d’applications tels que la surveillance des désastres, la supervision de l’habitat écologique, la surveillance médicale, la logistique et le transport intelligent.

De part leur petite taille, les capteurs sont extrêmement contraints. Ils ne peuvent pas se rivaliser avec les ordinateurs et les terminaux utilisés pour les réseaux Ad hoc  classique en termes de traitement des données, de capacité de stockage et de communication. Ainsi, les protocoles implémentés disponible actuellement pour les réseaux Ad hoc ne répondent pas complètement aux spécificités des réseaux de capteurs sans fil.

Contrairement aux réseaux traditionnels qui se préoccupent de la garantie d’une bonne qualité de service, les protocoles des réseaux de capteurs doivent donner l’importance primordiale à la conservation d’énergie.

Les capteurs sont alimentés par des piles limitées en termes d’énergie, quand le nœud capteur épuise son énergie il sera considéré comme mort. Par ailleurs, recharger les batteries dans les réseaux de capteurs est parfois impossible en raison de l’emplacement inaccessible des nœuds ou pour la simple raison que cette opération est pratiquement ou économiquement irréalisable. Ils doivent donc fonctionner en suivant un plan d’économie d’énergie efficace. A cet égard, de nombreux travaux traitent ce problème en cherchant à optimiser la consommation d’énergie au niveau de la couche physique, MAC ou réseau.

La majorité des applications de réseaux de capteurs sans fil existantes exigent un réseau de capteurs statique. Cependant, récemment, les applications qui nécessitent des capteurs mobiles émergent. L’application Zebranet [P. Juang et al., 2002] est un exemple de réseaux de capteurs mobiles qui permet l’étude du comportement des zèbres. Par ailleurs, la plus part des travaux proposés pour l’économie de l’énergie ont été conçu pour des réseaux statiques. En outre, dans les réseaux de capteurs orientés événements, l’information doit être acheminé à la station de base dans des meilleurs délais. Dans ce cas il est nécessaire d’optimiser conjointement la latence et la consommation d’énergie.

Les réseaux de capteurs : définitions et concepts de base 

Les capteurs existent depuis plusieurs années dans les domaines de l’industrie tels que l’aéronautique, l’automobile. On observe actuellement une forte recrudescence de ce type d’équipements qui sont interconnectés pour former des réseaux de capteurs. Avant, ils étaient reliés directement à leur base de traitement par une liaison filaire, ces capteurs sont maintenant de plus en plus interconnectés par ondes radios (ZigBee par exemple). En 2003, selon le magazine Technology Review du MIT, le réseau de capteurs sans fil est l’une des dix nouvelles technologies qui bouleverseront le monde et notre manière de travailler et de vivre.

Successeur des réseaux Ad hoc, cette nouvelle génération de réseau est motivée par la convergence connue récemment entre les domaines de technologie « MEMS» (Microelectro mechanical systems), de communication sans fil et d’électronique numérique. Un réseau de capteur répond au besoin accrus d’observer et de contrôler des phénomènes physiques et biologiques dans différents domaines. Chaque capteur collabore avec ses voisins via des liens sans fil, et si nécessaire doit retransmettre les informations venant de capteurs trop éloignés pour communiquer directement avec la station de base qui à son tour retransmet ces données, après les avoir traité, au utilisateur final du réseau. La conception des capteurs à petite taille et à faible coût qui ont la capacité de traiter, détecter, stocker et communiquer des données, et de les intégrer dans ce qu’on appelle réseaux de capteurs sans fil ouvre la possibilité de les intégrer dans différents domaines d’applications allant de la surveillance militaire à la surveillance médicale en passant par la domotique, l’écologie, la télématique et la logistique. Vu leur conception, les réseaux de capteurs se diffèrent des réseaux ad Hoc traditionnels en un ensemble de points qui sont :
– Les réseaux de capteurs ont plus de nœuds avec une plus haute densité.
– Les nœuds dans les réseaux de capteurs sont assez fragiles et vulnérables à diverses formes de défaillances : faible capacité d’énergie, faible débit, cassure, etc.

Définitions

Un capteur

Le capteur est un instrument de mesure qui permet de transformer une grandeur physique ou chimique observée (température, humidité, l’accélération, les vibrations, etc…) en un signal électrique. Cette transformation doit être le reflet aussi parfait que possible de ces grandeurs [F.Brissaud et al., 2008]. Pour cela il possède au moins un transducteur responsable de la conversion de la grandeur physique en une autre.

Un capteur intelligent

Ces dernières années ont vu apparaitre le concept de capteur intelligent (smart sensor). Un capteur intelligent est un système composé de plusieurs sous systèmes dont les fonctions sont distinctes. Il combine entre l’acquisition des données, le traitement de l’information et la communication bidirectionnelle des données traitées au monde extérieure. Contrairement au capteur classique, il intègre un microprocesseur embarqué qui a pour rôle la modification du comportement interne du capteur afin d’optimiser sa capacité à collecter les données, ou simplement pour effectuer localement des conditionnements de signaux et des traitements de données [F.Brissaud et al., 2008]. Pour ne pas rompre avec la terminologie la plus usuelle, dans le reste de ce document, lorsqu’ on parle de capteur nous faisons référence au capteur intelligent.

Table des matières

Introduction générale
1. Contexte général du travail et problématique
2. Objectifs de la thèse
3. Principales contributions de la thèse
4. Organisation de la thèse
1. Les réseaux de capteurs : définitions et concepts de base
1.1 Introduction
1.2 Définitions
1.2.1 Un capteur
1.2.2 Un capteur intelligent
1.3 Architecture matérielle d’un nœud de capteur
1.4 Architecture logicielle d’un nœud capteur (la Pile protocolaire)
1.5 Architecture de communication d’un réseau de capteurs
1.6 Les domaines d’applications des réseaux de capteurs sans fil
1.7 Classification des réseaux de capteurs sans fil
1.7.1 Selon le type d’application
1.7.2 Selon le mode de communication
1.7.3 Selon la mobilité
1.7.4 Selon la capacité des nœuds dans le réseau
1.8 Systèmes d’exploitation et protocole de communication pour capteurs
1.8.1 TinyOS
1.8.2 Contiki et Rime
1.8.3 MANTIS OS
1.8.4 SOS
1.8.5 ZigBee
1.9 Contraintes des réseaux de capteurs
1.9.1 La Consommation énergétique
1.9.2 La couverture
1.9.3 La connectivité
1.9.4 La tolérance aux pannes
1.9.5 Le passage à l’échelle (l’extensibilité)
1.9.6 La topologie dynamique
1.9.7 La bande passante limitée
1.9.8 Agrégation de données
1.11 Comparaison entre les réseaux Ad hoc classiques et les réseaux de capteurs
1.12 Conclusion
2. Les réseaux de capteurs mobiles 
2.1 Introduction
2.2 Les problèmes rencontrés par les réseaux de capteurs statiques
2.3 Architectures des réseaux de capteurs mobiles
2.4 Les différents rôles des nœuds dans un réseau de capteurs mobiles
2.5 Modèles de mobilité pour les réseaux sans fil mobile
2.5.1 Le modèle de point de cheminement aléatoire ( Random Waypoint)
2.5.2 Modèle de mobilité marche/ direction aléatoire (Random Walk/ Random Direction)
2.5.3 Modèle de mobilité Manathan
2.5.4 Le modèle Gauss-Markov
2.5.5 Le Modèle d’autoroute (FreeWay- FW)
2.5.6 Modèle de mobilité de point de référence (RPGM)
2.5.7 Modèle de mobilité de la colonne
2.5.8 Modèle de mobilité nomade
2.5.9 Modèle de poursuite (Pursue model)
2.5.10 Modèle exponentiel corrélé
2.6 Les avantages de la mobilité
2.7 Défis majeurs de la mobilité
2.8 Quelques Applications des réseaux de capteurs mobiles
2.8.1 La surveillance médicale
2.8.2 Pour la surveillance de l’habitat écologique
2.9 Conclusion
3. Les techniques de conservation d’énergie dans les réseaux de capteurs sans fil
3.1 Introduction
3.2 Notion de durée de vie du réseau
3.3 Formes de dissipation d’énergie
3.3.1 L’énergie de captage
3.3.2 L’énergie de traitement (calcul)
3.3.3 L’énergie de communication
3.4 Facteurs intervenants dans la consommation d’énergie
3.4.1 Etat du module radio
3.4.2 Accès au support de transmission
3.4.3 Modèle de propagation radio
3.4.4 Routage des données
3.5 Les méthodes de conservation d’énergie dans les réseaux de capteurs sans fil
3.5.1 Les méthodes proposées pour optimiser l’énergie de capture
3.5.1.1 Enlever l’échantillonnage inutile
3.5.2 Méthodes proposées pour minimiser l’énergie de calcul
3.5.2.1 techniques d’adaptation dynamique de la vitesse et de la tension du processeur (DVS)
3.5.2.2 Techniques de partitionnement du système
3.5.3 Méthodes proposées pour minimiser l’énergie de communication
3.5.3.1 Réduire le nombre de communication
3.5.3.2 Le contrôle de topologie
3.6 Conclusion
4. Les techniques de Contrôle de Puissance : Etat de l’art
4.1 Introduction
4.2 Les méthodes de contrôle de puissance
4.2.1 Métriques de performance d’une méthode de contrôle de puissance
4.2.1.1 Consommation énergétique
4.2.1.2 La connectivité
4.2.1.3 Qualité du lien
4.2.2 Les méthodes de contrôle de puissance dans les réseaux sans fil
4.2.2.1 Power Management for Throughput Enhancement in Wireless Ad-Hoc Networks
4.2.2.2 An Energy-Efficient Power Control Approach for WLANs
4.2.2.3 Local Information No Topology (LINT) and Local Information Link-State Topology (LILT)
4.2.2.4 Mécanisme de contrôle de topologie orienté QoS
4.2.3 Les méthodes de contrôle de puissance dans les réseaux de capteurs sans fil
4.2.3.1 Protocole de contrôle de puissance basé sur les informations topologiques
4.2.3.2 Protocole de contrôle de puissance basé sur la qualité des Liens
4.3 Conclusion
Conclusion générale

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