La directivité des antennes vs. l’économie d’énergie

Cette analyse nous permet de comprendre pourquoi notre solution est plus appropriée pour un réseau de capteurs sans fil. Ainsi, nous avons montré que notre solution assure une bonne précision pour la synchronisation et atteint en même temps des économies non négligeables au niveau énergétique.

V.3.3 Conclusion

Le protocole de synchronisation que nous avons proposé et simulé en NS-2 repose sur les principes de fonctionnement du standard IEEE-1588 et du protocole PBS. Les résultats ainsi obtenus montrent que cette solution est capable d’offrir une précision de synchronisation de l’ordre de centaines de nanosecondes et en même temps de faire des économies d’énergie, contrairement { d’autres protocoles étudiés auparavant.

Dans la suite de ce travail, nous nous proposons de regarder de plus près l’optimisation énergétique dans le cas particulier d’un service de synchronisation d’horloge, en l’adaptant { l’utilisation d’antennes intelligentes, qui ont la capacité d’améliorer les gains d’antenne et donc les besoins en puissance.

V.4 La directivité des antennes vs. l’économie d’énergie

Dans le chapitre IV, nous avons réalisé une présentation succincte des technologies d’antennes intelligentes, nous avons introduit la problématique soulevée par ces antennes et nous avons proposé une solution. L’objectif de cette partie est, par conséquent, d’évaluer cette proposition en simulation, { l’aide du simulateur NS-2.

V.4.1 Analyse comparative des performances

Le principal avantage des antennes directives est leur propriété de focaliser le spectre de rayonnement en direction du récepteur, principe valable aussi pour l’antenne de réception. Ces antennes peuvent être fixes et nous parlons d’antennes directives, ou orientables à la demande et nous parlons alors d’antennes intelligentes. Comme notre exemple d’application aura des capteurs statiques, nous avons considéré dans notre étude le premier type d’antennes.

Contrairement aux émissions par antennes omnidirectionnelles, le signal est concentré sur le récepteur et de fait les interférences entre émetteurs sont réduites. L’augmentation du SNR induit une augmentation de la bande passante disponible ou un accroissement de la portée du réseau. Ainsi, pour un SNR constant, un émetteur peut baisser sa puissance d’émission sans dégrader la qualité par rapport { une émission omnidirectionnelle et ainsi réduire sa consommation énergétique.

Nous présentons donc par la suite des évaluations de performances et une étude comparative entre notre solution Directionnal-TDMA MAC et le MAC-TDMA initial en présence d’antennes omnidirectionnelles.

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Le besoin de synchronisation est primordial pour notre application et il est donc impératif d’évaluer ce paramètre en présence de la nouvelle pile de protocoles.

Comme nous l’avons vu précédemment, notre réseau présente deux niveaux hiérarchiques de communication (Concentrateur-Routeurs et Routeurs-Nœuds). Pour cette raison, nous débutons le mécanisme de synchronisation toujours avant pour les paires Concentrateur-Routeur par rapport aux paires Routeur-Nœuds. Ainsi, les nœuds bénéficieront de l’horloge du routeur comme référence, cette horloge étant déjà synchronisée.

Notre premier objectif est de comparer les résultats ainsi obtenus avec ceux présentés auparavant pour notre protocole de synchronisation (V.3.2.1). Nous pouvons ainsi voir sur la Figure V.27 (a) la précision de la synchronisation pour le premier niveau de communication.

Figure V.27 Synchronization du Niveau 1 et Niveau 2 avec Directionnal-TDMA MAC.

La valeur moyenne obtenue pour la précision de la synchronisation est environ 125ns, ce qui correspond aux performances du protocole IEEE1588-PBS hybride (donné à 150ns).

Pour les paires Routeur-Nœud, la Figure V.27 (b) montre une précision de synchronisation comprise entre 730 ns et 15 ns, comme évalué dans la section V.3.2.1 (5µs et 600 ns). Ces résultats démontrent que cette nouvelle configuration (avec des antennes directives) est aussi efficace d’un point de vue performance pour la synchronisation que le protocole lui même. Mais, cet objectif ne peut être atteint que si le réseau reste performant sur un certain nombre d’indicateurs dont le débit, les délais, la connectivité. Nous venons donc de démontrer que notre modèle d’antennes directives se présente bien de ce point de vue.

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Comme précisé pour les autres simulations présentées auparavant, pour avoir une évaluation de la consommation électrique proche de réalité, nous utilisons les paramètres usuels d’un Berkeley Mote.

Sachant que le concentrateur est alimenté en permanence par une alimentation continue localisée dans la cabine de l’avion, nous nous intéresserons exclusivement { la consommation des autres éléments du réseau.

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V.4 La directivité des antennes vs. l’économie d’énergie

Ainsi, si nous analysons le cas des routeurs (Figure V.28), en utilisant une méthode d’extrapolation, nous avons constaté que la durée de vie de la batterie est étendue de 45% dans le cas ou nous utilisons des antennes directionnelles.

Figure V.28 Consommation en énergie des routeurs.

Comme l’algorithme de synchronisation pour le Niveau 2 de communication requiert deux types de nœuds (nœud 1588 et nœud PBS), nous avons des profils différents de consommation pour chacun. Ainsi, pour un nœud 1588, une augmentation de 25% de la durée de vie est réalisée (Figure V.29).

Figure V.29 Consommation en énergie des nœuds 1588.

Pour un nœud PBS (Figure V.30), les simulations ont montré que la durée de vie est alors augmentée de 64%.

Figure V.30 Consommation en énergie des nœuds PBS.

Ces résultats montrent une différence importante entre les nœuds 1588 et les nœuds PBS. En effet, comme nous l’avons dit plus tôt, un nœud PBS se synchronise seulement en écoutant les communications entre le routeur et le nœud 1588, comme représenté dans la Figure V.31.

Figure V.31 Utilisation des antennes dans une séquence de synchronisation. Dans ce cas, le nœud PBS agit comme un récepteur, donc il n’utilise que ses antennes directionnelles et consomme de ce fait moins qu’un nœud 1588 qui doit lui diffuser des informations { l’aide de son antenne omnidirectionnelle.

Dans tous les cas, nos résultats démontrent que l’utilisation des antennes directionnelles dans un réseau de capteurs est très efficace du point de vue économie d’énergie.