Les principales normes de communication sans fil

Après avoir vu un certain nombre des concepts de réseaux de communication sans fil, nous nous proposons de présenter dans la suite du chapitre les normes de

7 _{http://www.ac-}

communications existantes, qui pourront être potentiellement utilisées dans des réseaux de capteurs sans fil.

Commençons par la norme IEEE 802.15.4 [20], qui utilise le principe de communication CSMA/CA et qui a l’avantage d’une faible consommation en énergie.

Parfois, cette norme est confondue avec la technologie ZigBee8_{, qui est une nouvelle}

norme utilisant les services offerts par l’IEEE 802.15.4. Ce qu’apporte en plus ZigBee est une restructuration du réseau (en étoile, en réseaux maillés, en réseaux « cluster-tree »), ainsi que des services de sécurité, de niveau applicatif, etc.

Les applications visées par l’IEEE 802.15.4 sont du domaine des réseaux de capteurs sans fil, la domotique, les réseaux domestiques, des dispositifs de connexion à un PC, la sécurité, etc. Ainsi, une nouvelle catégorie de réseaux est née (Figure I.10), le LR-WPAN (Low Rate - Wireless Personal Area Network), qui est caractérisée par un faible débit et une faible consommation en énergie, avec des topologies pair à pair ou en étoile.

Figure I.10 Topologies LR-WPAN9

.

L’UWB (Ultra Wide Band) est une génération de technologie de communication sans fil de courte distance qui consomme peu d’énergie et qui permet le transfert de données à haut débit. Elle a l’avantage et la mobilité de la communication sans fil qui assure l’interconnexion { une grande vitesse entre les dispositifs numériques, sa particularité étant de transmettre des successions d’impulsions très courtes, entre 10 et 1000 ps.

Une question à se poser est de savoir pourquoi d’autres normes avec un succès commercial comme IEEE 802.11 et Bluetooth ne sont pas les premiers choix dans les réseaux de capteurs sans fil. Nous essayons de trouver la réponse en regardant plus en détails ces technologies.

Ainsi, la technologie Bluetooth est conçue comme un réseau sans fil WPAN (Wireless Personal Area Network) avec une application qui est très répondue: la connexion de périphériques à un ordinateur personnel [23]. Mais, cette technologie a été déjà utilisée comme un moyen de communication pour le prototypage des applications sans fil de réseau de capteurs [21].

8 _{http://www.zigbee.org/.}

22 I.2 Principales caractéristiques d’un WSN

Les réseaux qui utilisent la technologie Bluetooth, sont habituellement organisés en « piconet » et « scatternet » avec un maître et jusqu’{ sept nœuds esclaves actifs ; ainsi le maître choisit la séquence de saut où les esclaves doivent le suivre. Un exemple est présenté dans la Figure I.11, où le réseau « scatternet » est constitué de 3 « piconet ».

Figure I.11 Réseau scatternet Bluetooth10_.

Nous notons les deux inconvénients majeurs de cette technologie :

 Le besoin d’avoir constamment un nœud maître qui dépense beaucoup d’énergie sur les sondages de ses esclaves et le nombre relativement limité d’esclaves actif par « pico réseau ». Ceci n’est pas compatible avec le cas de réseaux de capteurs sans fil denses, où un grand nombre de nœuds maître seraient nécessaires.

 En outre, il est nécessaire que chaque nœud soit capable de prendre le rôle de maître ou d’esclave, ce qui porte une complexité considérable. Aussi, la fréquence rapide de saut entre les opérations nécessite une synchronisation étroite entre les nœuds d’un tel réseau.

En ce qui concerne la norme IEEE 802.11, elle présente certaines fonctionnalités pour faire économiser l’énergie [27]. Mais, comme en général un tel système est caractérisé par des débits aussi importants où les émetteurs-récepteurs requièrent une grande quantité d’énergie, cela n’est pas adapté dans les applications à faible débit comme les réseaux de capteurs.

L’IEEE 802.11 a été conçue à la fois pour des infrastructures de réseau ad hoc et, en général, est destinée { laisser un certain nombre d’utilisateurs { partager le canal de communication, fonctionnement qui ne correspond pas aux objectifs des réseaux de capteurs sans fil.

Ainsi, les technologies discutées auparavant présentent un certain nombre des avantages et des inconvénients (l’IEEE 802.11 a une portée et une bande passante plus importante, la faible consommation d’énergie de ZigBee représente un atout non négligeable, etc.) qui sont résumés dans le Tableau I.1:

Norme Portée Fréquence Débit maximal Puissance (en marche) Informations complémentaires IEEE 802.11 (1997) 500 m 2.4 – 5 GHz 54 Mb/s 350 mA Norme bien maîtrisée, très répandue, avec des

performances limitées, peu coûteuse. WiMedia (2002) 1 Km 3.1 – 10.6 GHz 480 Mb/s 35 mA Basse consommation, avantage rapport prix/performances. ZigBee (2004) 0 m -1.5 Km 2.4 GHz – 868 MHz 250 Mb/s 50 mA Basse consommation, gestion sécurisée et

fiable, peut lier des milliers d'appareils dans le même réseau. Bluetooth (début 2010) 100 m 2.4 GHz 1 Mb/s 100 mA Connexion immédiate, configuration simple et rapide. Tableau I.1 Caractéristiques pour des technologies de communications sans fil.

Ainsi, toutes ces normes ont été conçues dans le but d’économiser l’énergie, réduire les délais ou assurer un haut débit.

Nous pouvons conclure qu’il n’y a pas de « meilleur protocole MAC » ; le bon choix dépend de chaque application, des modèles de batteries prévues, du déploiement et du comportement du matériel sous-jacent d’un point de vue consommation d’énergie (la consommation relative de la transmission à la réception, pendant les temps de réveil et en mode veille ainsi que les coûts de calcul spécifiques pour l’exécution du protocole MAC).

En ce qui concerne l’aspect lié { la consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs sans fil, il se relève très important, raison pour lequel nous avons décidé d’aborder ce sujet plus en détail dans la section I.2.2.