Soutenance mémoire
Les progrès dans la mise en réseau et l’intégration ont permis l’émergence de petits nœuds, 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 nœuds 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 nœuds capteurs permet de mettre en œuvre 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 nœuds 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 nœuds 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 nœuds 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 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 .
Définition d’un nœud capteur
Typiquement, un nœud capteur est un dispositif de taille réduite équipé principalement d’une unité de capture, une unité de traitement, une unité de communication et une unité d’alimentation en énergie, comme l’illustre la Figure 1.1. Pour minimiser la consommation d’énergie, la plupart des composants d’un nœud capteur, y compris l’émetteur-récepteur sans fil (unité de communication), seront probablement mis en état de veille la plupart du temps. Pour l’émetteurrécepteur sans fil, une autre solution est utilisée pour minimiser la consommation d’énergie, à savoir le contrôle de la puissance d’émission.
— L’unité de capture : est généralement composée de deux sous-unités, à savoir des capteur(s) et des Convertisseurs Analogique-Numérique (CANs), en Anglais, Analog-to-Digital Converters (ADCs).
— Le capteur : convertit l’énergie dans le monde physique en énergie électrique qui peut être transmise à un système informatique. Il constitue l’interface entre le monde physique et le monde virtuel (numérique). Il existe une grande variété de capteurs qui peuvent être attachés à un noeud capteur. Nous citerons entre autres, les capteurs de température, humidité, accélération, lumière, pression, gaz, détection de mouvement, acoustique et d’images. Les capteurs sont généralement classés en trois catégories [58] : capteurs passifs et omnidirectionnels (p. ex., capteurs de lumière, température, humidité, vibrations etc.), capteurs passifs directionnels (p. ex., capteurs vidéo [59]) et capteurs actifs (p. ex., sonar, radar, certains types de capteurs sismiques).
— Le convertisseur analogique-numérique : transforme les signaux analogiques, produits par les capteurs en fonction du phénomène observé, en signaux numériques, puis les transmis à l’unité de traitement.
— L’unité de traitement : est un micro-contrôleur (en anglais, Micro-Controller Unit (MCU)) qui intègre un processeur, une mémoire volatile (RAM) pour le stockage de données, une ROM, EPROM, EEPROM ou une mémoire FLASH pour le stockage du code (programme relativement simple), des compteurs (en Anglais, timers), des ports d’E/S configurables, un CAN et d’autres périphériques. Elle permet le traitement des données et la gestion de la fonctionnalité d’un nœud capteur.
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 nœuds capteurs appelés couramment capteurs, allant de quelques dizaines à plusieurs centaines ou même des milliers, où chaque nœud est connecté à un ou plusieurs autres nœuds 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 nœuds 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 ) et les transmettre, en utilisant un mode de communication multi-sauts, à un ou plusieurs nœuds collecteurs appelés puits (en anglais sinks). Les nœuds puits sont souvent plus puissants que les nœuds capteurs ordinaires. Ils pourraient être des PDA, des ordinateurs portables ou des ordinateurs de bureau. Ils peuvent être stationnaires ou mobiles [67].
Les nœuds 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.
Caractéristiques des RCSFs
Les RCSFs partagent certaines caractéristiques importantes avec les réseaux Ad hoc qui constituent leur classe mère, tel que le besoin de l’auto-organisation, la communication multisauts et la dynamicité temporelle de la topologie, de la connectivité et d’autres paramètres du réseau. Cependant, il existe des différences importantes entre ces deux types de réseaux, par exemple [18, 60, 73] :
— La tâche principale d’un nœud capteur n’est pas de servir un utilisateur humain comme c’est le cas dans les réseaux Ad hoc, mais de collaborer avec d’autres nœuds pour la collecte des données de l’environnement physique afin de satisfaire les besoins d’une application spécifique.
— Les nœuds dans les RCSFs sont peu mobiles (nœuds généralement stationnaires qui restent à leur place dans l’espace de déploiement). Les changements de topologie dans les RCSFs sont donc généralement causés par des nœuds qui ont basculé en mode veille pour économiser l’énergie ou qui ont cessé de fonctionner en raison d’une batterie déchargée, d’une défaillance du système ou d’un acte d’endommagement volontaire ou involontaire. Les nœuds dans les réseaux Ad hoc sont caractérisés par une forte mobilité. Ils se déplacent généralement en même temps que leurs utilisateurs. Nous citerons par exemple, les applications Ad hoc telles que les opérations commando militaires et les équipes de recherche dans des zones sinistrées. La conséquence directe de cette mobilité est la modification physique de la topologie du réseau.
— Etant donné que les données collectées par les capteurs sont basées sur des phénomènes communs, il est probable qu’il y ait une certaine redondance dans les données communiquées par les diverses sources à un puits particulier. Pour cette raison, l’agrégation de données a été présentée comme un paradigme essentiel pour le routage dans les RCSFs [74]. L’idée est de combiner en route les données provenant de différentes sources. Ce mode de routage est dit routage centré sur les données (en Anglais, data-centric routing). En effet, les nœuds relais examinent le contenu des données et effectuent une certaine forme de fonction d’agrégation/consolidation sur les données provenant de plusieurs sources. Ceci permet de minimiser le nombre de transmissions et par conséquent économiser de l’énergie qui constitue une contrainte majeure dans les RCSFs. Les réseaux Ad hoc, par contre, utilisent un routage de bout en bout basé sur l’adresse. Ce mode de routage dit routage centré sur l’adresse (en Anglais, address-centric routing) consiste à trouver des chemins courts entre des paires de nœuds (d’extrémité) adressables.
— Les RCSFs peuvent comporter des milliers à des dizaines de milliers de nœuds. Les réseaux Ad hoc sont par contre déployés en un nombre relativement faible, de l’ordre de dizaines à des centaines de nœuds.
— Bien que la consommation d’énergie constitue la principale préoccupation pour les deux types de réseaux, la durée de vie des applications basées sur les réseaux Ad hoc semble être beaucoup plus courte que celle des applications basées sur les RCSFs. Par exemple, un réseau Ad hoc, mis en place pour la communication d’urgence dans une zone sinistrée, peut être opérationnel pendant plusieurs heures à plusieurs jours, tandis qu’un RCSF dédié à la surveillance environnementale peut durer plusieurs années. D’autre part, le réapprovisionnement en énergie des nœuds constituants les réseaux Ad hoc est plus facile que celui des nœuds des RCSFs, à cause de la proximité du premier type de nœuds avec les utilisateurs comme on l’a souligné plus haut.
— Le mode typique de communication dans les RCSFs est une sorte de reverse-multicast (plusieurs à un). En effet dans ce type de réseaux, il y a souvent un ou plusieurs nœuds récepteurs, dits collecteurs ou puits (en Anglais, sink), à qui (auxquels) le reste des nœuds du réseau, appelés nœuds sources, envoient leurs données. Dans les RCSFs, En plus de leur rôle de collecte de données, les nœuds puits peuvent configurer et contrôler le fonctionnement des nœuds sources, par l’envoi de messages de contrôle, en mode unicast (un à un), multicast (un à plusieurs) ou broadcast (diffusion). Dans les réseaux Ad hoc, il n’y a pas de nœuds distincts. La communication se fait entre n’importe quelle paire de nœuds.
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Table des matières
Introduction générale
Contexte
Motivation
Problématique
Objectifs
Contributions
Structure de la thèse
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
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
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
Conclusion
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