Les problématiques issues des réseaux sans fil Ad Hoc

Les RCSF sont, la plupart du temps, des réseaux sans fil Ad Hoc. Chaque capteur joue le rôle à la fois de routeur et de client dans le réseau. Les grands thèmes de recherche dans les réseaux sans fil Ad Hoc sont principalement le routage, la localisation, la synchronisation et la qualité de service (QdS).

1.4.1.1 Le routage

Dans un réseau Ad Hoc, l’isolement d’un nœud ou la partition (ou séparation) du réseau sont des évènements courants. La topologie d’un réseau Ad Hoc ne cesse d’évoluer et de se modifier au rythme du déplacement des nœuds qui le composent. Dans les RCSF, ce phénomène est accentué par la fragilité des capteurs cause de nombreuses ruptures de liens de communication. Par conséquent, les protocoles de routage Ad Hoc doivent être modifiés et adaptés à ce type de réseau s’appuyant sur des dispositifs à faibles ressources. Une mauvaise gestion ou politique de routage à un instant donné peut provoquer la panne d’un ensemble de capteurs par épuisement d’énergie. Un compromis doit être trouvé entre minimiser le nombre de capteurs hors service et ne pas faire peser la totalité des traitements sur les nœuds les plus valides. L’équilibrage de charge doit être mis en place dès le départ. Les protocoles de routage dédiés aux RCSF seront présentés plus en détail dans le chapitre 4. Relativement peu d’entre eux font l’objet d’évaluation en situation réelle, le contre-exemple étant OLSR [Plesse 2005].

Le routage est toutefois simplifié si l’application ne nécessite que des capteurs sans fil statiques avec une position bien établie au préalable. Le protocole de routage peut ainsi se concentrer sur les problèmes de changement de routes ou de répartition de la charge de transmission de chaque capteur de manière à répondre aux problèmes de consommation d’énergie. Par conséquent, le problème d’exploration du réseau est atténué.

En effet, dans un réseau filaire ou sans fil statique, ce problème n’existe qu’au démarrage, quand il faut déterminer les nœuds voisins c’est-à-dire les nœuds à un saut de communication, les passerelles ou un chemin vers la station de traitement distante.

Connaissant la position des capteurs à l’avance, une pré-configuration est possible afin de résoudre totalement ce problème. Si la mobilité des nœuds est requise, la phase d’exploration est complexe avec l’établissement de la liste des nœuds voisins et la construction de chemins vers certains nœuds en temps réel et pour une durée variable.

Cette phase d’exploration peut devenir encore plus complexe si on lui adjoint une nécessité de former des groupes ou des clusters nécessaires au routage et à l’acquisition des données. Ce mode de fonctionnement en groupe est de plus en plus associé à la notion d’auto-configuration qui représente un thème de recherche très répandu [Heinzelman 2002] [Diao 2007a]. Les capteurs s’organisent par eux-mêmes à l’aide de règles fournies au préalable. Ces dernières peuvent être basées sur la distance en nombre de sauts ou en mètre, le nombre de voisins.

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1.4.1.2 La localisation

La localisation est un élément important que l’on retrouve dans l’auto-configuration mais également dans le routage proprement dit. Pour améliorer les performances des protocoles de routage, la localisation est employée pour orienter le flux des messages et éviter une inondation systématique du réseau.

Les protocoles de routage dits « géographiques » sont bien adaptés aux réseaux de faible voire moyenne mobilité. Leurs performances reposent sur la fiabilité des informations géographiques dont disposent les nœuds. Dans un réseau où les nœuds sont très mobiles, le routage géographique risque de ne pas aboutir dans la plupart des cas. La cause est le déplacement totalement aléatoire des nœuds pouvant partir à l’opposé de leur position initialement connue ou au comportement global du réseau où de multiples partitions (ou séparation) se font et se défont. Quand le routage géographique est un échec, le protocole de routage de type « inondation » (« flooding) est utilisé. Dans ce protocole, chaque nœud qui reçoit un message, le transmet à l’ensemble de ces nœuds voisins et ainsi de suite. Tous les nœuds, sauf ceux isolés, reçoivent le message.

Si l’on se focalise sur les RCSF, la nécessité de localisation est mise en évidence par quelques applications présentées dans la section précédente. Quand un événement se produit comme un incendie, il faut déterminer rapidement où celui-ci a eu lieu. Pour obtenir cette localisation, le GPS (Global Positioning System) est naturellement le premier dispositif auquel on pense. Toutefois, ses coûts d’achat et en terme d’énergie consommée est un frein à un usage massif. De plus, dans un environnement urbain, quand son utilisation est possible, l’imprécision observée peut s’avérer importante.

D’autres pistes de recherche sont explorées pour répondre à cette problématique.

L’une d’entre elle est basée sur le repérage grâce à la puissance du signal émis par le module de communication sans fil [Le Borgne 2007]. Un nœud est ainsi repéré par triangulation du signal émis par ses voisins. Dans une architecture de localisation hybride, les deux méthodes que sont le GPS et la puissance du signal peuvent être combinées. Les nœuds se repèrent, à l’aide de la puissance du signal, par rapport à des éléments géo-référencés du réseau. Ces derniers sont soit des points fixes dont les positions sont connues précisément, soit des capteurs équipés de GPS (voir Figure 1.9).

Figure 1.9 – Architecture de localisation hybride

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1.4.1.3 La Qualité de Service (QdS)

Dans les RCSF, la notion de qualité de service s’applique à la communication sans fil comme dans les réseaux sans fil Ad Hoc mais également aux contraintes spécifiées par l’application. Dans les réseaux sans fil Ad Hoc, la QdS intègre tous les aspects liés à la transmission de données. Elle s’appuie sur les critères d’évaluation que sont la bande passante disponible, la latence ou le délai de livraison des messages. Dans ce cas, la QdS correspond à une gestion efficace des ressources du réseau pour répondre aux besoins de l’application.

L’élément central est le réseau sur lequel l’application s’appuie et lui fait part de ces besoins au niveau de la transmission de données.

Dans un contexte plus général, la QdS est un indicateur permettant de définir un cadre d’utilisation d’un réseau. Pour ce faire, on peut se restreindre à la simple communication ou l’étendre à toute l’application à laquelle le réseau est dédié. Dans les RCSF, en plus des contraintes d’acheminement et de vitesse de propagation des données, il faut considérer la qualité et la pertinence de celles-ci. En d’autres termes, les données reçues au niveau de la station centrale de collecte doivent être acheminées dans un temps limité et doivent être identiques à celles prélevées au niveau du capteur. Au-delà des critères de performances déjà cités, la QdS se mesure suivant le déploiement et la couverture du réseau, le nombre de nœuds actifs à un instant donné.

En général, les temps d’aller-retour ou RTT (Round-Trip Time) sont souvent utilisés dans les méthodes d’estimation de la bande passante disponible [Jain 2003] [Amamra 2008]

et donc pour évaluer la qualité de service. Une autre technique d’estimation consiste à considérer les temps d’aller simple OTT (One-way Transit Time) plutôt que les RTT. Celle-ci est moins intrusive en termes de trafic réseau généré mais nécessite que les nœuds soient synchronisés temporellement.

La synchronisation temporelle est un élément important pour une grande partie des applications de RCSF. La plupart des applications d’acquisition de données requièrent un marquage temporel pour indiquer la date de collecte. Des décalages au niveau de l’heure de certains capteurs impliquent un travail fastidieux de synchronisation post-détection pour avoir une chronologie des évènements correcte. Dans le pire des cas, des messages peuvent être considérés comme obsolètes et égarés dans le réseau alors qu’ils transportent des données récentes. La conséquence est leur suppression par un capteur présent sur le chemin qui les mène vers la station centrale de collecte et d’archivage des données.

Grâce à un temps d’horloge identique, les capteurs peuvent établir entre eux des

« rendez-vous » pour communiquer. Pour économiser de l’énergie, les capteurs alternent entre phase active et phase de veille. Le premier élément mis en veille est le module de communication sans fil très consommateur d’énergie. Sans une parfaite synchronisation temporelle, ce mode de fonctionnement ne serait pas possible car certains capteurs tenteraient de communiquer avec d’autres endormis.

Cette synchronisation peut être obtenue à l’aide du GPS. Toutefois, comme pour la localisation, le coût d’un tel système aussi bien d’ordre financier qu’énergétique n’est pas

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anodin. Par conséquent, différents protocoles ont été développés pour répondre à cette problématique. Certains sont des adaptations de protocoles existants dans les réseaux filaires.

Cette transition n’est pas toujours possible comme l’illustre la complexité voire l’impossibilité d’utiliser la protocole (S)NTP ((Simple) Network Time Protocol) car nécessitant une puissance de calcul importante [Stojmenovic 2005].