Soutenance mémoire
Fonctionnement des RCSF
Un RCSF est composé d‟un grand nombre de capteurs placés dans une zone d‟intérêt donnée et qui coopèrent ensemble dans le but d‟accomplir une tâche commune. Cette dernière peut être la surveillance d‟un champ de bataille dans les applications militaires, la surveillance d‟une zone à risque ou difficile d‟accès, la surveillance de l‟environnement, la surveillance d‟un parking, d‟un entrepôt, d‟une place publique, la surveillance d‟une forêt afin de pouvoir détecter en temps réel des feux de forêts, la surveillance de troupeaux pour les pâturages, le contrôle de production dansl‟industrie, le contrôle et le suivi environnemental, etc. Chaque capteur déployé dans de zone de surveillance doit en permanence surveiller l‟environnement qui l‟entoure afin de détecter et de mesurer d‟éventuels paramètres sur cet environnement et de les transmettre éventuellement à une station de base via un mécanisme de routage donné qui est souvent une communication multi-sauts. Les rayons de détection et de communication de chaque capteur étant limités, chaque nœud capteur doit ainsi accepter de relayer les données collectées par d‟autres nœuds capteurs afin de les acheminer de proche en proche jusqu‟au centre de traitement, c‟est-à dire vers le lieu où ces données doivent être traitées et éventuellement exploitées par un utilisateur final donné qui est connecté au réseau via Internet ou un système satellite. La figure 1 montre un exemple de RCSF. Dans l‟exemple illustré par la figure 1 ci-dessus, les nœuds capteurs sont déployés de manière aléatoire ou déterministe dans une zone d‟intérêt donnée (zone de captage). Une station de base (“BS : Base Station” en Anglais) située en dehors de cette zone d‟intérêt est chargée de récupérer les données collectées et envoyées par les différents nœuds capteurs. Ainsi, lorsqu‟un nœud capteur donné détecte un événement pertinent, il capture une mesure sur cet événement l‟envoie à la BS par le biais d‟un routage multi-sauts.
Unité de traitement (processeur)
Cette unité est composée de deux interfaces qui sont l‟interface avec l‟unité d‟acquisition et une autre avec l‟unité de communication. Son rôle est de contrôler l‟ensemble des procédures permettant à un nœud capteur de collaborer avec les autres nœuds dans le but de réaliser les tâches d‟acquisition et de stockage des données collectées. Elle fonctionne à l‟aide d’un système d’exploitation spécialement conçu pour les micro-capteurs (par exemple TinyOS). Ainsi, elle est responsable de l‟exécution des différents protocoles de communications permettant la collaboration entre les nœuds capteurs du RCSF. Elle peut également analyser et agréger des données capturées par plusieurs nœuds sources différents afin d‟alléger certaines tâches à la station de base.
Applications agricoles
Des RCSF peuvent être déployés dans des champs agricoles et incorporés dans la terre afin de faire des mesures sur certains paramètres tels que le taux d‟humidité, la température, etc. Ainsi, la collecte de ces paramètres envoyés généralement à un centre de traitement peut aider les agriculteurs dans l‟optimisation de l‟irrigation en eau ou de nutriments. Le RCSF peut être interrogé afin de déterminer les secteurs les plus secs et les irriguer en priorité. Ce type d‟application des RCSF dans le domaine agricole est de plus en plus utilisé aujourd‟hui et est communément appelé « agriculture intelligente ou agriculture de précision ». Nous utiliserons le terme agriculture intelligente dans la suite du document pour désigner ce type d‟application des RCSF. Elle permet l‟utilisation des RCSF comme un outil d‟aide à la décision et fournit aux agriculteurs une meilleure maîtrise des processus. Elle leurs permet d‟acquérir des mesures en temps réel qui sont indispensables à une gestion optimale des champs agricoles. Grâce aux RCSF, de vastes zones géographiques dépourvues généralement d‟infrastructure pourront être surveillées en temps réel par des nœuds capteurs. Les données recueillies par ces capteurs peuvent être traitées et envoyées à un utilisateur final pour exploitation. Toutefois, ce type d‟application exige quelques contraintes qui portent essentiellement sur la garantie d‟une couverture complète de la zone agricole et celle d‟une connectivité optimale du réseau. Elle requiert aussi une durée de vie du réseau optimisée qui puisse couvrir au moins tout le temps nécessaire au processus d‟évolution des cultures. Ainsi, cette agriculture intelligente a pour principaux objectifs :
– l‟optimisation des apports aux cultures (semences, eau d’irrigation, fertilisants et produits phytosanitaires) dans le but d‟améliorer le rendement ;
– la lutte contre l‟insuffisance et l‟insécurité alimentaire surtout dans les pays en développement ;
– la réduction des effets néfastes de l‟agriculture sur l‟environnement.
La couche de gestion des tâches
Enfin, la couche de gestion des tâches permet de faire l‟ordonnancement des différentes tâches de captage des données dans une zone de surveillance donnée. Dans certaines topologies de déploiements denses où les champs de captages sont souvent redondants, il n‟est pas nécessaire que tous les nœuds capteurs d‟une zone donnée effectuent en même temps une tâche donnée. Certains nœuds capteurs peuvent donc effectuer les tâches de captage au moment où d‟autres nœuds vont se mettre dans le mode éteint afin de sauvegarder leur énergie. D‟après la description des différentes tâches de gestions ci-dessus, nous remarquons que ces dernières sont nécessaires pour la coordination entre les différents nœuds, la gestion de leur mobilité ainsi que l‟optimisation de la consommation énergétique dans le réseau. Par conséquent, avec une bonne utilisation intelligente de ces tâches et selon le type d‟application, les performances du RCSF peuvent être optimisées.
Contiki et Rime
Contiki [10] est un système d‟exploitation open source, modulaire, léger et flexible conçu pour des capteurs miniatures et développé par des chercheurs Suédois. Il est destiné à être embarqué dans des capteurs miniatures ayant généralement des ressources limitées (énergie, etc.). Les principaux avantages sont surtout sa flexibilité, sa portabilité et le fait qu‟il supporte des protocoles commeIPv et LoWPAN. Contiki implémente deux mécanismes de communication :
– la coucheRime [11] : elle fournit à la couche applicative des instructions de communication qui permettent les connexions avec les capteurs voisins. Les applications ou protocoles exécutés au-dessus de la couche Rime peuvent utiliser une ou plusieurs instructions de communication fournies par la couche Rime. Celle-ci peut être associée au mécanisme Chameleon afin de s‟adapter aux protocoles de la couches MAC. Chameleongère la création, la lecture et la transformation des en-têtes des protocoles de la Couche liaison de données du modèle OSI et communique avec la couche Rime en associant des attributs aux paquets.
– la couche uIP [12]: elle implémente les protocoles uIPv4 et uIPv6. Cette couche supporte également les protocoles IP, TCP, UDP et ICMP. Notons que, uIPv6 est la première implémentation d‟IPv6 pour des capteurs miniatures. Contiki implémente le protocole 6LoWPAN prévu pour les communications radio utilisant la norme IEEE 802.15.4. En effet, lors de communications radio via la norme IEEE 802.15.4, la taille d‟un paquet est limitée à 127 octets, ce qui est insuffisant pour transmettre un paquet IPv6 dont la taille maximum est de 1280 octets. C‟est dans ce cadre que l‟IETF a mis en place cette technique. Le système d‟exploitation Contiki permet d‟optimiser la consommation énergétique par rapport à d‟autres systèmes d‟exploitation traditionnels. Toutefois, notons que le manque d‟étude comparative rend difficile l‟évaluation et la comparaison des performances de ce système d‟exploitation par rapport à d‟autres.
Durée de vie du réseau
La durée de vie est une métrique d‟évaluation de performance très importante dans les RCSF. Il existe plusieurs définitions de ce paramètre de mesure. Toutefois, notons que sa définition n‟est pas toujours triviale. En effet, dans [29] Giridhar et Kumar présentent la durée de vie d‟un RCSF comme étant liée à l‟application et aux protocoles utilisés. Dans [30] Chen et Zhao, conçoivent la durée de vie d‟un RCSF comme étant une mesure étroitement liée à la vie des nœuds du réseau. Quant à Esseghir et al.[31], ils définissent la durée de vie comme étant une autre mesure qui est liée à l‟accessibilité des nœuds dans le réseau. Une définition de la durée de vie d‟un RCSF comme étant liée à la qualité de service QoS est proposée dans [32] par Hu et Li. D‟autres chercheurs comme Verdone et al.[33], définissent la durée de vie comme une mesure liée à la répartition spatiale des nœuds dans le réseau. Dans notre cas d‟étude, nous considérons la durée de vie d‟un RCSF comme étant liée à l‟activité nodale. Donc la durée de vie du RCSF est définie comme étant la durée pendant laquelle le réseau assure toutes les fonctionnalités du réseau (couverture, connectivite, etc.), c‟est-à-dire, la durée de vie RCSF mesure dans ce cas, le temps qui s‟écoule entre le début de la mise en service du réseau jusqu‟à ce que le premier nœud de celui-ci devienne défaillant, et par la suite ne soit plus fonctionnel. Soit M = {S ,S ,…,S } 1 2 N l‟ensemble des nœuds d‟un RCSF donné, et soit S M i un nœud capteur donné dont la durée de vie est égale à T.
La taille des paquets
La taille des paquets échangés dans les RCSF peut influer sur la consommation énergétique des nœuds, et par conséquent sur la durée de vie du réseau. Cette taille doit être raisonnable pour le réseau et elle doit être aussi conforme pour le type d‟application. Ainsi, elle ne doit être ni trop élevée ni trop faible. En effet, si la taille des paquets est très petite, alors non seulement le nombre de paquets pour un message donné augmente mais également le nombre de paquets de signalisation (contrôles). En revanche, si cette taille est très grande, alors une plus grande puissance d‟émission sera nécessaire pour transmettre chaque paquet de donnée, ce qui aura comme conséquence une consommation énergétique plus importante. D‟autre part, notons que la plupart des protocoles MAC pour les RCSF fonctionnent avec échanges de messages de contrôles (connectivité, établissement de liens, etc.), ce qui nécessite souvent des en-têtes additionnels contribuant ainsi à des coûts énergétiques supplémentaires.
|
Table des matières
Remerciements
Résumé
Abstract
Introduction générale
1. Contexte
2. Objectifs de recherche
3. Contributions
4. Organisation du manuscrit de thèse
Chapitre 1 : Etat de l’art sur les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF)
1.1 Introduction
1.2 Fonctionnement des RCSF
1.3 Structure d‟un nœud capteur sans fil
1.3.1 Unité d‟acquisition
1.3.2 Unité de traitement (processeur)
1.3.3 Unité de communication
1.3.4 Batterie
1.4 Domaines d‟applications des RCSF
1.4.1 Applications militaires
1.4.2 Applications de surveillance
1.4.3 Applications environnementales
1.4.4 Applications médicales
1.4.5 Applications commerciales
1.4.6 Applications domotiques
1.4.7 Applications agricoles
1.5 Architecture des RCSF
1.5.1 Architecture à plat
1.5.2 Architecture hiérarchique
1.6 Modèles de communication dans les RCSF
1.6.1 Modèle en couche
1.6.1.1 La couche physique
1.6.1.2 La couche liaison de donnée
1.6.1.3 La couche réseau
1.6.1.4 La couche transport
1.6.1.5 La couche application
1.6.1.6 La couche de gestion de l‟énergie
1.6.1.7 La couche de gestion de la mobilité
1.6.1.8 La couche de gestion des tâches
1.6.2 Piles de communication pour capteurs
1.6.2.1 La norme IEEE 802.15.4
1.6.2.2 ZigBee
1.6.3 Systèmes d‟exploitation pour capteurs
1.6.3.1 TinyOS
1.6.3.2 Contiki et Rime
1.6.3.3 MANTIS OS
1.6.3.4 SOS
1.7 Conclusion
Chapitre 2 : Techniques d’optimisation de la durée de vie dans les RCSF sous contraintes de couverture et de connectivité
2.1 Introduction
2.2 Facteurs et contraintes influents sur la conception et le déploiement de RCSF
2.2.1 Durée de vie du réseau
2.2.2 Ressources limitées
2.2.3 Facteur d‟échelle
2.2.4 Topologie dynamique
2.2.5 Agrégation des données
2.2.6 Etat du module radio
2.2.7 Méthodes d‟accès au support
2.2.7.1 L‟écoute active du canal
2.2.7.2 La sur-écoute du canal
2.2.7.3 La taille des paquets
2.2.7.4 La surémission
2.3 Méthodes de placement des nœuds capteurs dans les RCSF
2.3.1 Placement aléatoire
2.3.2 Placement déterministe
2.4 Couverture dans les RCSF
2.4.1 Définition de la couverture dans les RCSF
2.4.2 Types de couvertures dans les RCSF
2.5 Connectivité dans les RCSF
2.5.1 Définition de la connectivité dans les RCSF
2.5.2 Types de connectivité dans les RCSF
2.6 Routage dans les RCSF
2.6.1 Protocoles de routage à plat
2.6.1.1 SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation)
2.6.1.2 DD (Directed Diffusion)
2.6.1.3 RR (Rumour Routing)
2.6.1.4 Cougar
2.6.2 Protocoles de routage hiérarchique
2.6.2.1 LEACH (Low-Energy Adaptive ClusteringHierarchy)
2.6.2.2 PEGASIS (Power-Efficient GAthering in Sensor Information Systems)
2.6.2.3 TEEN (Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)
2.6.2.4 APTEEN (Adaptive TEEN)
2.6.2.5 HEED (Hybrid Energy-Efficient Distributed Clustering)
2.6.2.6 SAR (Sensor Aggregates Routing)
2.6.3 Comparaison des protocoles de routage de RCSF
2.7 Techniques de conservation énergétique dans les RCSF
2.7.1 L‟énergie de capture
2.7.2 L‟énergie de traitement
2.7.3 L‟énergie de communication
2.8 Classification des techniques de conservation énergétique
2.8.1 Protocoles MAC basés sur le “duty cycle”
2.8.2 Protocoles MAC basés sur TDMA
2.8.3 Protocoles MAC hybrides
2.8.4 Techniques de réduction de données
2.8.5 Comparaison des techniques de conservation énergétique
2.9 Techniques orientées « placement des nœuds, couverture et/ou connectivité »
2.9.1 Techniques de placement des nœuds basées sur des calculs géométriques
2.9.2 Techniques de placement des nœuds basées sur des grilles
2.10 Techniques orientées « optimisation multi-objectif sous contraintes»
2.11 Protocoles MAC basés sur le duty cycle
2.11.1 S-MAC et T-MAC
2.11.2 B-MAC et X-MAC
2.11.3 Z-MAC
2.11.4 TunableMAC
2.11.5 Comparaison des protocoles MAC basés sur le duty cycle
2.12 Synthèse des techniques d‟optimisation de la durée de vie dans les RCSF sous contraintes de couverture et connectivité
2.13 Problématiques des techniques d‟optimisation de la durée de vie dans les RCSF sous contraintes de couverture et connectivité
2.13.1 Problématiques des techniques orientées « placement des nœuds, couverture et/ou connectivité »
2.13.2 Problématiques des techniques orientées « optimisation multi-objectif sous contraintes»
2.13.3 Problématiques des protocoles MAC basés sur le duty cycle
2.14 Conclusion
Chapitre 3 : Propositions de nouvelles stratégies pour l’optimisation de la durée de vie dans les RCSF sous contraintes de couverture et de connectivité
3.1 Introduction
3.2 Modélisation des composants et des paramètres du RCSF
3.2.1 Modèle de réseau
3.2.2 Modèles du canal de communication
3.2.2.1 Le modèle du disque unitaire
3.2.2.2 Le modèle log-normal
3.2.3 Modèle de détection des phénomènes physiques
3.2.4 Modélisation de la couverture dans les RCSF
3.2.4.1 Couverture de points dans les RCSF
3.2.4.2 Couverture de surface dans les RCSF
3.2.4.3 Couverture de région dans les RCSF
3.2.5 Modélisation de la connectivité du RCSF
3.2.6 Modèle de consommation énergétique
3.3 Proposition d‟une nouvelle méthode de placement géométrique des nœuds
3.4 Présentation de l‟algorithme DSMAC
3.4.1 Description de DSMAC
3.4.2 Illustration de l‟algorithme DSMAC sous forme de pseudo-code
3.4.3 Mécanisme de sleep/wake-up dans TunableMAC
3.4.4 Mécanisme de sleep/wake-up mis en œuvre pour DSMAC
3.4.5 Principaux avantages de DSMAC
3.5 Evaluations analytiques de DSMAC
3.5.1 Etude de la complexité de DSMAC
3.5.1.1 Outils formels pour l‟évaluation de la complexité algorithmique
3.5.1.2 Calcul de la complexité algorithmique de DSMAC
3.5.2 Etude analytique de la couverture et de la connectivité dans DSMAC
3.5.2.1 Théorème d‟existence d‟une couverture totale de la zone d‟intérêt selon DSMAC
3.5.2.2 Théorème d‟existence d‟une connectivité optimale du RCSF selon DSMAC
3.6 Conclusion
Chapitre 4 : Evaluation de DSMAC
4.1 Introduction
4.2 Description et calcul des paramètres de simulation
4.2.1 Calcul des rayons de communication, de détection et de la longueur de la grille
4.2.2 Paramètres de simulation
4.3 Métriques d‟évaluation des performances dans DSMAC
4.4 Evaluation des performances de DSMAC
4.4.1 Evaluation de la consommation énergétique dans DSMAC
4.4.2 Evaluation du nombre de paquets reçus par la station de base dans DSMAC
4.4.4 Evaluation du niveau de latence des paquets dans DSMAC
4.5 Conclusion
Chapitre 5 : Conclusion et perspectives
5.1 Synthèse
5.2 Contributions
5.3 Perspectives
Liste des figures
Liste des tableaux
Abbreviation
Publications
Annexe
Bibliographie
Télécharger le rapport complet
