Soutenance mémoire
Routage à basse consommation d’énergie
Définition d’un capteur
Système ou organe qui sert à détecter un phénomène physique ou chimique, afin de prélever des informations comme la pression, la température et les vibrations qui seront élaborées a une autre grandeur de nature différente (très souvent électrique) utilisable à des fins de mesure ou de commande.
Ces dernières années, le marché mondial a connu un intérêt primordial aux systèmes embarqués et technologies de miniaturisation ce qui a permet l’apparition d’un nouveau type de capteurs, nommés capteurs intelligents (smart sensors) qui peuvent êtres définis selon deux points de vue :
Fonctionnel: ce sont des organes capables de détecter, mesurer, convertir et traiter les données collectées en vue de les communiquer à d’autres dispositifs du système .
Technologique: correspond principalement a de véritables systèmes miniaturisés qui intègrent dans un volume parfois extrêmement réduit dans le corps du capteur, un organe de calcul interne (microprocesseur, microcontrôleur), un système de conditionnement du signal (programmable ou contrôlé) et une interface de communication bidirectionnelle avec l’extérieur .
Deux types de nœuds capteurs peuvent être distingués : capteurs (nœuds ordinaires) et nœuds puits . Un nœud capteur détecte les phénomènes physiques et surveille son environnement immédiat pour transmettre les données nécessaires au nœud puits. Ce dernier les collecte, les stocke et les analyse pour communiquer les résultats à d’autre réseaux auquel il est relie par Internet ou Satellite .
Caractéristiques d’un capteur
Actuellement, les capteurs sont considérés comme des éléments incontournables pour mesurer les paramètres physiques dans des environnements variés en vue de remplir une application spécifique. De ce fait, le choix de capteur sera fortement conditionné par les contraintes de l’application et le type d’environnement. Différentes caractéristiques peuvent être tirées dont les plus importantes sont :
Précision : La précision d’un capteur s’exprime en fraction de la grandeur physique mesurée. Elle est généralement présentée comme étant la plus grande erreur prévue entre le réel perçu et les signaux électriques obtenus en sortie du capteur.
Sensibilité : Est définie par le rapport entre le signal physique en entrée et le signal électrique de sortie. Caractérise ainsi l’aptitude du capteur à détecter la plus petite variation de la grandeur à mesurer. A terme d’exemple, une sensibilité élevée d’un capteur thermique se produira lors d’un petit changement de température qui le correspondra par conséquent, un grand changement de tension.
Etendue de mesure et bande passante : L’étendue de mesure n’est qu’une caractéristique qui donne la plage de fonctionnement du capteur pour la grandeur à mesurer. Tandis que la bande passante, exprime la différence des fréquences extrêmes de fonctionnement.
La rapidité : C’est le temps de réaction d’un capteur entre la variation de la grandeur physique qu’il mesure et l’instant où l’information sera prise en compte par la partie commande.
Fidélité : Pour une série de mesures de la même valeur de la grandeur d’entrée, le signal délivré par un capteur ne varie pas.
Bruit : Tous les capteurs produisent un certain bruit de rendement, en plus du signal de sortie. Dans beaucoup de cas, le bruit généré limite les performances d’exécution du système embarqué sur le capteur.
Définition d’un réseau de capteurs
Les réseaux de capteurs sans fil (WSN pour Wireless Sensor Networks) sont considérés comme un type spécial de réseaux ad hoc. Cela sous-entend que ces réseaux sont dépourvus d’infrastructure préexistante et d’administration centralisée, où chaque nœud peut communiquer via des interfaces sans fil (généralement en utilisant le support radio).
Les nœuds du réseaux consistent en un grand nombre (centaines voir des milliers) de capteurs matériellement petits, construits à partir des composants pas chers pour maintenir un coût de réseau maniable, et placés généralement prés des objets auxquels ils s’intéressent dans les environnements où ils sont déployés. Ces capteurs sont capables de récolter, traiter et d’acheminer les données environnementales de la région surveillée d’une manière autonome, vers une ou plusieurs station de collecte appelées nœuds puits ou stations de base . En effet, ces réseaux se trouvent à la confluence d’une variété de domaines de recherche : systèmes distribués, réseaux mobiles ad hoc, robotiques et systèmes de sécurité. Et donc, leur capacité de communication et souplesse de déploiement, par simple dissémination aléatoire des nœuds capteurs (par exemple : largage depuis un avion ou un bateau) dans la zone de surveillance, à comporter a leur utilisation dans des secteurs différents et permettant ainsi leur intégration dans des environnements hostiles où l’intervention humaine après déploiement est difficile et parfois impossible.
Topologies du réseau
Pour prendre en charge le transfert de données depuis les nœuds capteurs jusqu’au nœud puits, le réseau peut être configuré selon différentes topologies.
La topologie en étoile (Star Network)
C’est une topologie simple, où chaque nœud communique ses mesures directement a l’unique station de base sans avoir la possibilité d’échanger des messages avec les autres capteurs. La station de base est la seule à pouvoir recevoir ou envoyer des messages aux nœuds du réseau. Cette approche peut de manière significative simplifier la conception, car les soucis de gestion du réseau sont réduits au minimum. Néanmoins, elle présente des limites en terme : de scalabilité et de robustesse, due à sa dépendance sur un seul nœud pour contrôler et gérer le réseau.
La topologie maillée (Mesh Network )
Dans ce type de topologie, une communication multi sauts est utilisée comme mode d’acheminement de messages, où n’importe quel nœud peut envoyer à n’importe quel autre nœud dans le réseau a condition qu’il soit dans sa portée de transmission, sinon un nœud intermédiaire intervint pour envoyer le message au nœud destinataire . L’avantage de cette topologie est la possibilité du passage à l’échelle et la tolérance aux pannes, par contre la consommation d’énergie dans la communication multi sauts et les latences crées sont les inconvénients majeurs de cette topologie.
La topologie hybride (Hybrid Star – Mesh Network)
Pour minimiser la consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs, une topologie hybride entre celle en étoile et en mesh est conçue. Elle fournit des communications réseau robustes et diverses. Il existe des nœuds qui ont la possibilité de router les messages des autres nœuds à faible puissance. Généralement, ces nœuds à capacité multi sauts ont une puissance plus élevée que les autres nœuds du réseau.
Consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs
Le but des réseaux de capteurs est de surveiller une zone: prendre des mesures et de les faire remonter vers un certains nœuds qui sont en mesure de relayer l’information à l’utilisateur final. Pour cela, les capteurs déployés utilisent leur énergie pour réaliser trois actions principales : la capture, le traitement et la communication .
Energie de perception : L’énergie consommée pour effectuer l’acquisition n’est pas très importante. Elle se résume dans l’échantillonnage et le traitement des signaux, la conversion des signaux physiques en signaux électriques et la conversion analogique numérique. Néanmoins, cette énergie varie en fonction du phénomène et du type de surveillance effectué. Par exemple une capture à intervalle régulier consomme moins d’énergie qu’une surveillance continue.
Energie de traitement : L’énergie consommée par les opérations de calcul est beaucoup plus faible que l’énergie consommée lors de la communication. Par exemple : l’énergie nécessaire pour transmettre 1 KB sur une distance de 100 m est approximativement équivalente à l’énergie nécessaire pour exécuter trois millions d’instructions avec une vitesse de 100 millions d’instructions par seconde (MIPS).
Energie de communication : La communication couvre les communications en émission et en réception et consomme beaucoup plus d’énergie que les autres tâches à cause de l’amplificateur utilisé dans les transmissions. La puissance du support radio : média de transmission utilisé pour assurer la communication est déterminée par plusieurs facteurs comme le type du système de modulation, quantité de données à communiquer et la distance de transmission.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 Généralités sur les réseaux de capteurs sans fil
1.1 Introduction
1.2 Le capteur
1.2.1 Définition d’un capteur
1.2.2 Architecture d’un capteur
1.2.2.1 Matériel
1.2.2.2 Système d’exploitation
1.2.3 Caractéristiques d’un capteur
1.3 Les réseaux de capteurs
1.3.1 Définition d’un réseau de capteurs
1.3.2 Architecture du réseau
1.3.2.1 Topologies du réseau
1.3.3 Caractéristiques du réseau de capteurs
1.4 Domaines d’applications
1.4.1 Applications militaires
1.4.2 Applications environnementales
1.4.3 Applications à la sécurité
1.4.4 Applications médicales
1.4.5 La domotique
1.5 La communication dans les réseaux de capteurs
1.5.1 Pile protocolaire (modèle en couches)
1.5.2 Technologies et standards de communication
1.6 Facteurs et contraintes influant la conception du réseau
1.6.1 Tolérance aux fautes (pannes)
1.6.2 Passage à l’échelle (scalabilité)
1.6.3 Topologie dynamique
1.6.4 Coût de production
1.6.5 L’environnement
1.6.6 Qualité de service
1.6.7 Contraintes matérielles
1.6.8 Les médias de transmission
1.6.9 Consommation d’énergie
1.7 Différentes problématiques et axes de recherche dans les réseaux de capteurs
1.8 Conclusion
Chapitre 2 Routage à basse consommation d’énergie
2.1 Introduction
2.2 Energie
2.2.1 Consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs
2.2.2 Facteurs intervenant dans la consommation d’énergie
2.2.3 Taxonomies d’approches de conservation d’énergie dans les réseaux de capteurs sans fil
2.3 Le routage dans les réseaux de capteurs
2.3.1 Contraintes à tenir en compte lors de la conception des protocoles de routage
2.3.2 Classification des protocoles de routage
2.3.2.1 Routage basé sur la structure du réseau
2.3.2.2 Routage basé sur le fonctionnement des protocoles
2.4 Conclusion
Chapitre 3 État de L’art sur Les Protocoles de Clustering Pour Les Réseaux De Capteurs Sans fil
3.1 Introduction
3.2 Notions de base et motivations
3.2.1 Définitions
3.2.2 Formation de clusters
3.2.3 Avantages e l’approche clustering
3.3 Contraintes et facteurs de conception lors du processus de clustering
3.4 Techniques de clustering
3.4.1 Architecture du réseau et le modèle de fonctionnement
3.4.1.1 Traitement de données dans le réseau
3.4.1.2 Mobilité du réseau
3.4.1.3 Mode de déploiement et capacité d’un nœud
3.4.2 Objectifs du clustering
3.4.2.1 Minimiser la consommation d’énergie
3.4.2.2 Équilibrage de la charge ’Laod balancing’
3.4.2.3 Tolérance aux pannes
3.4.3 Taxonomie d’attributs de clustering
3.4.3.1 Propriétés des clusters
3.4.3.2 Capacités d’un cluster-head
3.4.3.3 Le processus de clustering
3.4.4 Paramètres de décision
3.4.4.1 Décision basée sur le temps de convergence
3.4.4.2 Décision basée sur les heuristiques
3.4.4.3 Décision basée sur le poids
3.4.4.4 Décision basée sur l’émergence
3.5 Approches de clustering pour les réseaux de capteurs sans fil
3.5.1 Les protocoles hiérarchiques à temps de convergence constant
3.5.1.1 LEACH: Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy
3.5.1.2 HEED: A Hybrid Energy Efficient Distributed Clustering Approach For Ad-hoc Sensor Networ
3.5.1.3 EECS: Energy Efficient Clustering Scheme in WSN
3.5.1.4 EEUC: An Energy-Efficient Unequal Clustering Mechanism for Wireless Sensor Networks
3.5.2 Les protocoles hiérarchique a temps de convergence variable
3.5.2.1 EEHC : Energy Efficient Hierarchical Clustering
3.5.2.2 RCC : Random Competition based Clustering
3.5.2.3 CLUBS : Algorithm For Group Formation In An Amorphous Computer
3.5.2.4 Hierarchical Control Clustering
3.5.3 Les protocoles heuristique
3.5.3.1 LCA2 : Linked Cluster Algorithm
3.5.3.2 Highest Connectivity Cluster Algorithm
3.5.3.3 Max-Min-D Clustering
3.5.4 Les protocoles pondérés
3.5.4.1 WCA : Weighted Clustering Algorithm
3.5.4.2 DCA : Distributed Clustering Algorithm
3.5.5 Les protocoles émergents
3.5.5.1 ACE: An Emergent Algorithm for Highly Uniform Cluster Formation
3.6 Tableaux comparatifs pour les protocoles de clustering
3.7 Conclusion
Chapitre 4 LMEER: Un protocole de clustering à basse consommation d’énergie pour les réseaux de capteurs sans fil
4.1 Introduction
4.2 Motivations
4.3 Principe et fonctionnement
4.3.1 Configuration du réseau
4.3.2 Formation des clusters et communication des données
4.3.3 La maintenance des clusters
4.4 Simulations et résultats
4.4.1 Environnements de simulation
4.4.2 Choix de l’environnement de simulation
4.4.3 Les paramètres de simulation
4.4.4 Métriques d’évaluation de performances
4.4.5 Discussion des résultats
4.5 Conclusion
Conclusion et Perspectives
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