État de l’art des techniques de synchronisation dans les WSNs

Selon les exigences des applications, assurer une fonctionnalité de synchronisation de qualité est un défi. Plus précisément, les capteurs doivent recueillir des informations qu’ils transmettent ensuite au collecteur (ou la station centrale). Le collecteur doit recevoir les in-formations de tous les capteurs dans un délai minimal : c’est le problème de synchronisation

décrit dans [113]. Ceci a conduit, dans les réseaux informatiques traditionnels, à la conception de protocoles pour maintenir la synchronisation des horloges physiques. Un protocole tel que NTP (Network Time Protocol) [114] n’est pas un bon choix pour les WSNs en raison d’hypo-thèses non valides dans un WSN [115], car il réalise la synchronisation d’horloge du serveur central avec l’UCT (Universal Coordinated Time). De plus, même si la synchronisation est de haute précision, elle se fait au prix de la complexité des messages échangés [115].

Plus récemment, la norme IEEE-1588 [116] est devenue la nouvelle référence pour la synchronisation des horloges dans les applications industrielles, de par ses performances de dizaines de nanosecondes (10 ns – 75 ns). Mais, comme les réseaux sans fil sont limités en termes de puissance et présentent une grande complexité, la plupart des implémentations du protocole IEEE-1588 utilisées sur les réseaux câblés ne s’adaptent pas aux WSNs. Par conséquent, des travaux pour adapter le fonctionnement du protocole IEEE-1588 pour les réseaux de capteurs sans fil ont été réalisés. Ainsi, [117] présente des expérimentations et une évaluation de performances pour un protocole de synchronisation basé sur le standard IEEE-1588 pour des réseaux de capteurs sans fil. Les résultats montrent que la synchronisation entre l’horloge maître et les horloges esclaves des nœuds du réseau se réalise avec une précision de quelques centaines de nanosecondes (200 ns).

Plusieurs protocoles de synchronisation d’horloge ont été proposés pour les réseaux de capteurs sans fil, avec des performances plus ou moins bonnes. Le RBS (Reference Broadcast Synchronization) [118] est le protocole le plus représentatif. En exploitant la propriété de diffusion de la communication sans fil, ce protocole est capable de réaliser la synchronisation d’un groupe de nœuds qui se trouvent à portée de communication d’un émetteur de référence. Les nœuds qui reçoivent le message de synchronisation, enregistrent l’heure de son arrivée et échangent cette information avec les autres. La précision pour la synchronisation de RBS, en présence de la technologie 802.11 et avec un estampillage du temps réalisé au niveau du noyau du système d’exploitation, est de l’ordre de la dizaine de microsecondes [118]. Le protocole TPSN (Timing-sync Protocol for Sensor Networks) est une implémentation de la méthode de synchronisation “émetteur-récepteur”. Dans [119], les auteurs implémentent le principe de TPSN sur une architecture de capteurs de type Berkeley Motes et proposent une procédure d’horodatage au niveau de la couche MAC. Cette méthode est capable de réduire efficacement le temps moyen d’accès au medium (l’erreur moyenne pour la précision de la synchronisation est de 16,9 µs). Le protocole FTSP (Flooding Time Synchronization Protocol) proposé dans [120] est un autre protocole de synchronisation qui utilise la stratégie traditionnelle de synchronisation “émetteur-récepteur”. Ce protocole est similaire à TPSN, dans la mesure où il réalise également une synchronisation de tous les nœuds du réseau à travers un nœud “root”, mais en améliorant un certain nombre de défauts. Le nœud “root” est responsable de fournir le temps global dans le réseau et il est régulièrement élu d’une manière dynamique. La topologie du réseau est de type mesh, contrairement à TPSN où l’organisation du réseau est de type hiérarchique. Dans [121], les auteurs ont évalué le protocole FTSP dans un réseau de 64 éléments organisés dans une grille de 8 × 8, ce qui correspond à un réseau avec 7 sauts. Après environ 10 minutes, la synchronisation du réseau est réalisée avec une précision moyenne inférieure à 11.7 µs, d’où une erreur moyenne de 1.7 µs par saut si nous divisons par le nombre de sauts. Enfin, le protocole PBS (Pairwise Broadcast Synchronization) proposé dans [122] décrit une nouvelle approche de synchronisation, appelé

Receiver-Only Synchronization (ROS). La précision est similaire à celle obtenue pour le RBS (29.1 µs) sur la technologie Berkeley Motes. PBS nécessite un nombre réduit de messages pour chaque cycle de synchronisation, ce qui est un avantage en termes d’économie d’énergie. En résumé, les WSNs offrent de grands avantages par rapports aux réseaux filaires clas-siques, mais aussi des limitations. Particulièrement celles reliées à la synchronisation des capteurs. Assurer une synchronisation précise des nœuds est un challenge qui s’ajoute à d’autres exigences. La principale est la limitation des ressources énergétiques. Cette contrainte à conduit à des études pour proposer des solutions pouvant garantir les services en utilisant un minimum d’énergie. Dans [123], un protocole de synchronisation d’horloge économique en énergie basé sur l’estimation de l’horloge décalée par rapport à horloge virtuelle.

Une solution appelée “post-facto Synchronisation” est proposée dans [124]. Elle se pré-occupe, en plus de la synchronisation, de la minimisation de l’énergie consommée ; cette solution est basée sur l’idée qu’un message nommé “beacon” est envoyé en broadcast à tous les éléments du réseau, ce paquet étant utilisé par la suite comme une une base de temps qui servira pour le recalage ultérieur des nœuds capteurs. Dans la même idée, Tian et al. font une proposition de synchronisation cette fois-ci au niveau des couches physique et réseau : ils proposent d’intégrer une horloge idéale au niveau de la couche réseau [125]. Le travail se base sur la création d’un nouveau protocole de synchronisation au niveau réseau, basé sur la méthode de Time-Stamp Broadcast Synchronization (TSBS), qui est capable d’effectuer ses tâches avec moins d’énergie consommée.

Les avancées à propos de ce sujet contradictoire (synchronisation/économie d’énergie) sont assez récentes [126]. Dans [127] et [128], les auteurs proposent un nouveau système de synchronisation des horloges afin d’optimiser la consommation énergétique et comparent les résultats avec ceux du protocole TPSN. Pour répondre à la nécessité des nœuds mobiles et leur permettre de se synchroniser dans un réseau, [129] propose une solution hybride qui intègre les protocoles RBS et TPSN.

Synthèse :

Le Tableau 4.1 présente une comparaison entre les différentes solutions, discutées plus haut, en prenant en compte un certain nombre de paramètres, où N représente le nombre de paquets échangés dans un cycle de synchronisation et L le nombre de nœuds présents dans le réseau. En analysant le Tableau 4.1, nous pouvons constater que les protocoles qui ont une très bonne précision de synchronisation présentent une forte consommation en énergie, ou vice versa.

La satisfaction de ces deux besoins, la gestion d’énergie et la synchronisation, n’est pas une tâche aisée étant donné que les critères de performances sont opposés. Plus précisément, pour assurer une bonne synchronisation, le réseau va consommer une quantité importante d’énergie. Par conséquent, il va falloir trouver le compromis qui sera capable de garantir les performances ainsi qu’une longévité du réseau.

Notre proposition sera donc de mettre en œuvre une solution de synchronisation qui consistera en la distribution d’un bit de synchronisation qui déclenchera les convertisseurs

analogique/numérique présents sur les capteurs. Par la suite, nous proposons d’analyser la situation actuelle et de calculer le retard entre deux nœuds ZigBee.

Protocole Toplogie

Nbre de

mes-sages/cycles

Précision Couche ^Consommation

en énergie IEEE-1588 [117] ^{Saut unique 4×N×L 50-200 ns} Application / Physique ^Élevée RBS [118]

Récepteur-Récepteur ^{N×L×2 29.1 µs} Application Élevée

TPSN [119]

Émetteur-Récepteur ^{2×N×L 16.9 µs MAC Moyenne}

FTSP [120]

Émetteur-Récepteur ^{N×L 1.7 µs MAC Faible}

PBS [122] ^{Multisauts /}

saut unique ^{2×N 29.1 µs Application Faible}

Table 4.1 – Tableau de comparaison et de synthèse des techniques de synchronisations discutées dans la littérature.

4.2.3 Mesure du décalage entre deux nœuds capteurs ZigBee au