Cette section s’attache à identifier la dépendance de l’établissement d’une transmis-sion à la synchronisation des horloges des nœuds et discute les méthodes canoniques de synchronisation d’horloges dans un système distribué.
Les nœuds constitutifs d’un réseau de capteurs exécutent un ensemble de tâches élé-mentaires parmi lesquelles : "alimenter le circuit radio", "basculer la radio en état de transmission", "transmettre une trame", "éteindre le circuit radio", etc. à des instants prédéfinis dans le temps. La spécification des actions réalisées, leurs enchaînements sont définis par les protocoles de communication retenus. Ces protocoles de communication re-posent sur la réalisation concurrente, séquentielle voire simultanée de tâches par les nœuds en communication. L’orchestration de ces tâches réparties sur différents nœuds nécessite et présuppose une référence de temps commune entre nœuds en communication.
La notion de temps interne à un nœud capteur est fournie par un composant élec-tronique, l’oscillateur à cristal de quartz, qui fournit une pulsation à une fréquence de référence. Un compteur, bien souvent un registre, est incrémenté à une fréquence diviseur
de la fréquence de référence et fait office de date courante pour le nœud capteur. Même calibré, un oscillateur à cristal de quartz exhibe une dérive de sa fréquence de résonance au cours du temps. Cette dérive peut être issue d’une variation de sa géométrie, par exemple lorsque sa température fluctue ou par vieillissement. Cette dérive, couramment exprimée en ppm (parties par millions) se situe entre 5 ppm et 100 ppm selon la qualité du quartz.
De fait, les références de temps des nœuds capteurs divergent et entraînent un décalage entre un instant exprimé dans la base de temps d’un nœud et celle d’un autre. Ce déca-lage peut entraîner un fonctionnement erratique des protocoles de communication, comme illustré par la Figure 4.1. Dans cet exemple, les nœuds N1 et N2 se sont préalablement ac-cordés sur une transmission de N1 vers N2 à l’instant t. Cependant cet instant t est défini localement dans chacune des bases de temps de N1 : t1 et N2 : t2, lesquelles présentent un décalage en raison de la dérive en fréquence des oscillateurs à cristal de quartz. Du fait de ce décalage, N1 transmet alors que N2 n’a pas encore activé le mode de réception de sa radio et la transmissions échoue.
Figure 4.1 – Exemple de fonctionnement erratique d’un protocole de communication en présence d’un décalage de la base de temps des nœuds.
Comme l’illustre la Figure 4.2, deux solutions canoniques existent pour pallier à un décalage des horloges : augmenter la durée de transmission par l’ajout d’un préambule ou allonger la période d’écoute.
Préambule avant transmission La première solution consiste à précéder l’émission de la trame de données par un signal d’annonce de l’émission : à la réception de ce signal, le nœud destinataire prolonge son écoute jusqu’à la réception de la donnée. Afin de garantir la réception de la trame de données, ce préambule doit garantir la couverture de l’intégralité la période de temps pendant laquelle le nœud récepteur peut se réveiller. Soit 2D la dérive en temps maximale (en valeur absolue) entre les horloges des nœuds capteurs, le préambule doit être de taille minimale 2D et centré sur l’instant t1.
Allongement de la période d’écoute La seconde solution consiste à augmenter le temps d’écoute du nœud récepteur, de façon à ce qu’il couvre intégralement la période pendant laquelle la transmission peut avoir lieu. Similairement à la première solution, si 2D est la dérive maximale en valeur absolue entre les horloges des nœuds capteurs, la période doit être augmentée d’une durée 2D couvrant D unités de temps avant t2 et D unités de temps après la fin de la transmission telle que prévue par le récepteur.
Lien avec les protocoles d’accès asynchrones Nous notons ici que ces deux méthodes sont en fait à l’origine des deux mécanismes canoniques de contrôle d’accès asynchrone. Les
Figure 4.2 – Solutions palliatives au décalage d’horloges.
protocoles à échantillonnage de préambule [25], [44] font en effet l’usage d’un ou d’une suc-cession de préambules dont la durée est égale ou supérieure à la période du cycle d’activité radio. Cette durée est ici dictée par le décalage en temps maximum entre deux nœuds cap-teurs, à savoir la période du cycle d’activité. Ces protocoles s’apparentent donc à la solution 1 décrite par la Fig.4.2. Les protocoles initiés par le récepteur, e.g. [38], utilisent quant à eux la solution 2 : les émetteurs écoutent le medium en attente d’une trame annonçant la disponibilité du destinataire.
Synchronisation pro-active des horloges et consommation d’énergie Ces solu-tions palliatives à l’existence d’un décalage d’horloges nécessitent de la part des nœuds capteurs d’augmenter la durée d’activité de leur radio et entraînent de fait une sur-consommation d’énergie. Il convient donc d’identifier les mécanismes de synchronisation d’horloges pour réseaux de capteurs et d’estimer leur coût énergétique.
Afin de répondre à cet objectif nous présentons une taxonomie des mécanismes de synchronisation, illustrée par des exemples de protocoles. Nous étudions ensuite leur ap-plicabilité dans le cadre d’un réseau de capteurs urbains. À partir de cette étude, nous identifions le mécanisme de synchronisation optimal vis à vis de la consommation d’énergie pour un réseau à radio longue portée et proposons une extension du schéma aux réseaux multi-sauts.