Formalisation des impacts environnementaux de réseaux de capteurs72

capteurs

Partant de la modélisation du cycle de vie du réseau, nous pouvons donner une

formulation mathématique à ses impacts. Les impacts du réseau correspondent à la

somme des impacts de ses constituants, c'est-à-dire les nœuds, et sont formulés dans

un détail croissant au travers des équations 7 à 9 :

(7)

Où :

- IE est l’impact environnemental total du réseau ;

- Ω est l’ensemble des nœuds du réseau ;

- i

n

est l’impact environnemental du nœud n.

(8)

Où :

- DEP

n

est l’impact du nœud n pendant la phase de déploiement, qui correspond

aux phases d’extraction des matières premières, de fabrication et d’installation

du premier équipement matérialisant le nœud n ;

- OM

n

est l’impact du nœud n pendant la phase d’opération, qui est détaillée

dans l’équation 9 ;

- DEM

n

est l’impact du nœud n pendant la phase de démantèlement, qui

correspond à la dépose et à la fin de vie du dernier équipement matérialisant le

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(9)

Où :

- REM

n

est l’impact des remplacements successifs des équipements matérialisant

le nœud n pendant la phase d’exploitation ;

- CON

n

est l’impact de l’énergie consommée par l’ensemble des équipements

matérialisant le nœud n pendant la phase d’exploitation ;

- MAI

n

est l’impact des opérations de maintenance (hors remplacements)

effectuées sur l’ensemble des équipements matérialisant le nœud n pendant la

phase d’exploitation.

En fonction des applications, les réseaux de capteurs peuvent être déployés sur des

terrains offrant des conditions variées d’approvisionnement en énergie. Par exemple,

la surveillance d’un phénomène loin de toute infrastructure n’autorisera pas une

alimentation par le réseau électrique, et exigera des équipements qu’ils soient

autonomes en énergie, voire autarciques si aucune source d’énergie n’est disponible.

Si le phénomène et son environnement autorisent un placement des équipements

dans des conditions d’ensoleillement suffisantes, ces derniers pourront être équipés

de panneaux solaires et pourront compter au moins partiellement sur une source

d’énergie leur étant extérieure. Si au contraire aucune source alternative d’énergie

n’est disponible, les équipements devront être totalement autonomes en énergie et

compter sur une quantité limitée d’énergie délivrée par leurs batteries.

Les équipements de réseau sans fil peuvent donc être alimentés en énergie de trois

manières différentes, ceci ayant des répercussions sur leurs impacts

environnemen-taux. Les équipements sur accumulateurs sont les plus autonomes, car l’énergie dont

ils disposent n’est pas limitée en quantité totale mais en flux. Ils tirent leur énergie

d’un accumulateur rechargé à partir de leur environnement, les panneaux solaires

étant à cette fin la technologie la plus avancée (Yick et al., 2008). Pendant la phase

d’exploitation, l’énergie qu’ils collectent de leur environnement est exempte d’impact

environnemental

⁵⁶

, et le terme CON

n

de l’équation 9 est nul. Les équipements sur

batterie sont quant à eux dotés d’une énergie limitée à leur fabrication, et sont conçus

pour fonctionner sans aucun apport d’énergie extérieur. Le terme CON

n

est également

pour eux nul. Cependant, du fait de la limitation de la quantité d’énergie leur étant

disponible, une utilisation intense conduit inévitablement à une durée de vie plus

courte, nécessitant alors soit un remplacement soit une maintenance. Les termes

REM

n

(si l’équipement entier est remplacé en cas de panne de batterie) ou MAI

n

(si

seulement la batterie est remplacée) de l’équation 9 sont donc dans ce cas dépendants

de l’intensité de l’utilisation de l’équipement. Enfin, les équipements sur secteur

dépendent directement d’une source d’énergie provenant d’un autre système

anthropique. L’impact environnemental de leur consommation correspond à celui de

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Selon Georgescu-Roegen (1979), l’énergie solaire n’a pas d’effet différent dans le cas où elle est utilisée et dans le cas où elle ne l’est pas. Dans ces deux cas, le devenir de cette énergie est de se transformer en chaleur ambiante.

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la production, du transport et de la distribution de l’énergie qu’ils consomment. Ces

particularités sont résumées pour chaque type d’équipement par l’encadré ci-après.

Equipements sur accumulateurs Equipements sur batterie Equipements sur secteur

Encadré 1 - Particularités des impacts des équipements de réseau en fonction de leur type d’alimentation.

Où :

- T est la durée d’exploitation du réseau ;

- E(T)

n

est l’énergie dépensée par le nœud n sur l’intervalle de temps T, exprimée

en kWh ;

- C

0

est la charge initiale de la batterie ;

- I

kWh

est l’impact environnemental de la provision d’un kWh.

2.1.3. Complexité d’analyse de la phase d’opération

Dans le modèle présenté par l’équation 9, les termes REM

n

, MAI

n

et CON

n

peuvent

dépendre de la consommation énergétique des équipements en phase d’opération du

réseau. Or cette consommation est le résultat de comportements synergétiques et ne

peut être déterminée en focalisant l’analyse uniquement sur les équipements pris

isolément.

2.1.3.1. Hétéronomie des activités

Les nœuds de réseau sont des objets communicants, et les activités qu’ils effectuent

dépendent de facteurs leur étant extérieurs, à savoir l’activité de leurs voisins et celle

des phénomènes qu’ils surveillent. Parmi les tâches effectuées par les nœuds de

réseau sans fil, nous pouvons distinguer trois catégories, en fonction de l’évènement

qui les provoque :

- Type I : tâches provoquées par le nœud lui-même, suite à un évènement

préprogrammé. Ces tâches sont prédéterminées par les programmeurs du

logiciel embarqué par les équipements ; leur fréquence est connue. Par

exemple, un équipement peut, à intervalles réguliers, effectuer une mesure ou

scruter la bande radio pour capter un éventuel message qui lui serait envoyé.

- Type II : tâches provoquées par le phénomène surveillé, suite à l’observation

d’un fait remarquable. Ces tâches sont par définition probabilistes, car un

phénomène dont le comportement est déterministe ne nécessite pas de

surveillance. Un exemple de tâche provoquée par le phénomène surveillé est

l’envoi d’une alarme par un capteur lorsque les limites acceptables de contrôle

du phénomène sont outrepassées et demandent intervention.

- Type III : tâches provoquées par les nœuds voisins, suite à la réception d’un

message appelant réponse. Ces tâches qui sont le résultat de l’activité réseau

générée par les deux types de tâches précédentes, et sont donc partiellement

déterministes et probabilistes. Un exemple de tâche provoquée par un nœud

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voisin est la répétition d’un message dans sa course d’un point à un autre du

réseau.

Ainsi, un nœud, en fonction du contexte dans lequel il est placé, de l’instabilité du

phénomène à surveiller, du nombre et de l’intensité de l’activité de communication de

ses voisins, sera soumis à une intensité variable d’évènements prévus ou probabilistes.

Certaines de ses activités et les impacts qui en découlent sont hétéronomes,

c'est-à-dire qu’elles ne dépendent pas uniquement des propriétés internes des nœuds, cas

dans lequel elles seraient autonomes. Alors que les impacts autonomes peuvent

directement faire l’objet d’une analyse environnementale au niveau des nœuds, les

impacts hétéronomes requièrent une analyse au niveau de l’infrastructure dans son

ensemble.

2.1.3.2. Effets synergétiques

D’autres phénomènes interviennent et complexifient l’analyse des communications

entre nœuds du réseau. La capacité des équipements à communiquer dépend de la

possibilité pour un receveur de décoder un signal émis, possibilité conditionnée par la

distorsion subie par le signal entre l’émission et la réception. Les ondes

électromagnétiques, surtout dans les environnements inhospitaliers, sont soumises à

des atténuations et des fluctuations qui détériorent la qualité du signal et rendent

contingents les transferts de données. Les réseaux urbains évoluent par exemple dans

des milieux fortement occupés, d’un point de vue physique (immeubles, végétation),

et électromagnétique (autres équipements communiquant sur les même bandes de

fréquence), et rencontrent donc de nombreux obstacles. Les réseaux faisant intervenir

des équipements souterrains doivent également faire face à de fortes atténuations.

Même dans les meilleures conditions de propagation d’ondes, c'est-à-dire dans un

espace libre, les chances de succès d’une transmission entre deux équipements décroit

avec leur distance respective.

A part dans les réseaux très peu denses, il n’est pas possible pour un équipement

d’émettre un signal qui ne soit capté que par un unique receveur. Les ondes

électromagnétiques émises par un équipement ne sont généralement pas dirigées,

c'est-à-dire qu’elles sont envoyées dans toutes les directions de l’espace. Ainsi, un

équipement écoutant la bande radio peut entendre un signal qui ne lui est pas

adressé. Ce phénomène, appelé sur-écoute (overhearing en anglais), peut être très

fréquent dans les réseaux denses, et peut être responsable d’une part non négligeable

des consommations. Enfin, deux signaux émis concomitamment par deux équipements

peuvent entrer en interférence et devenir inaudibles, occasionnant la perte d’un ou

des deux messages qu’ils portent. Ce phénomène est appelé collision. Dans le cas où

les protocoles de communication prévoient leur gestion, les collisions sont

génératrices de communications supplémentaires dans le réseau. Dans le cas

contraire, ces évènements dégradent le service.

Dans le document Analyse environnementale et éco-conception de services informationnels (Page 85-88)