Propositions pour un protocole déterministe de contrôle d'accès et de routage avec économie d'énergie dans les réseaux ZigBee

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Propositions pour un protocole déterministe de contrôle d’accès et de routage avec économie d’énergie dans les

réseaux ZigBee

Jackson Francomme

To cite this version:

Jackson Francomme. Propositions pour un protocole déterministe de contrôle d’accès et de routage

avec économie d’énergie dans les réseaux ZigBee. Réseaux et télécommunications [cs.NI]. Université

Toulouse le Mirail - Toulouse II, 2008. Français. �tel-00324196�

Université de Toulouse ; UTM ; LATTIS (Laboratoire Toulousain de Technologie et d’Ingénierie des Systèmes) EA 4155

I.U.T de Blagnac, 1 Place Georges Brassens ; F-31 703 Blagnac, France Tél. : + 33 (0) 5 62 74 75 85

Fax : + 33 (0) 5 62 74 75 87

Léonard de Vinci

MEMOIRE pour l’obtention du

DOCTORAT délivré par L’UNIVERSITE de TOULOUSE le Mirail École Doctorale Systèmes

Spécialité : Génie Informatique, Automatique et Traitement de Signal

Présenté par M. Jackson FRANCOMME Maître ès Sciences Université Paris XII

« Propositions pour un protocole déterministe de contrôle d’accès et de routage avec économie d’énergie dans les réseaux ZigBee ^»

__________

Soutenue le 24 juin 2008 devant le jury composé de :

Rapporteurs : J.-M. THIRIET Professeur à l’Université de Grenoble 1 – GIPSA-Lab J.-P. THOMESSE Professeur à l’Université de Nancy – INPL

Examinateur : K. GODARY Maître de Conférences à l’Université de Montpellier 2 - LIRMM Directeur : T. VAL Professeur à l’Université de Toulouse II - LATTIS

Co-encadrant : G. MERCIER Maître de Conférences-HDR à l’Université de PARIS XII Invité : C. ZARADER Directeur technique - FREESCALE Toulouse

LABORATOIRE ‘L A T T I S’ EA 4155 Groupe SCSF

Systèmes Communicants Sans Fil

Remerciements

Je remercie en premier lieu Monsieur le Professeur Thierry VAL, directeur adjoint du laboratoire LATTIS de TOULOUSE et directeur du groupe de recherche SCSF, d’avoir accept´ e de prendre la direction de ma th` ese, de m’avoir assur´ e de sa confiance pendant ces trois ann´ ees et de m’avoir permis de conclure cette belle exp´ erience, dans les conditions particuli` eres que mon ´ eloignement engendrait.

J’exprime mon infinie gratitude ` a Gilles MERCIER, Maˆıtre de Conf´ erence-HDR de l’Universit´ e de CRE- TEIL/VAL DE MARNE, co-directeur de ma th` ese, pour m’avoir insuffl´ e le goˆ ut de la recherche et m’avoir donn´ e les outils pour r´ eussir dans ce domaine. Je le remercie ´ egalement pour sa patience, la qualit´ e de son encadrement et les conseils qu’il m’a prodigu´ es depuis notre rencontre ` a l’Universit´ e de CRETEIL/VAL DE MARNE jusqu’au laboratoire LATTIS. Je tiens ici ` a lui t´ emoigner de mon profond respect et de mon amiti´ e.

Je suis tr` es particuli` erement honor´ e du Professeur THIRIET de l’Universit´ e de Grenoble, et du Professeur THOMESSE de l’Universit´ e de Nancy, d’avoir accept´ e d’ˆ etre rapporteurs de cette th` ese. Je tiens ` a leur exprimer ma plus profonde reconnaissance.

Je remercie tr` es chaleureusement Karen GODARY, pour m’avoir ouvert les portes du domaine de la vali- dation et pour son aide dans le cadre de la mod´ elisation de syst` emes. J’ai travaill´ e avec elle avec beaucoup de plaisir.

Je remercie ´ egalement tous ceux qui ont contribu´ e ` a cette th` ese :

Philippe MANGAUD et Cyril ZARADER, directeurs techniques de la soci´ et´ e FREESCALE qui m’ont assist´ e dans la mise en œuvre de la technologie ZigBee. Monsieur ZARADER en particulier, qui a bien voulu s’int´ eresser ` a mon travail et a accept´ e l’invitation du jury.

Adrien Van Den BOSSCHE, Nicolas FOURTY et C´ eline GUILLEMINOT qui m’ont aid´ e sur les plans scientifiques et personnels par les nombreux ´ echanges que nous avons eus. Je remercie tout autant les chercheurs de l’´ equipe SCSF du laboratoire LATTIS et du groupe de travail L2I, et tant d’autres que je ne peux nommer de fa¸ con exhaustive.

L’Ecole Doctorale Syst` emes de TOULOUSE qui a particip´ e au financement de ma formation scientifique, et ` a travers elle tout particuli` erement Sophie ACHTE pour sa gentillesse et ses conseils pour les d´ emarches li´ ees ` a cette th` ese.

L’interdisciplinarit´ e ´ etant ` a la mode, la Direction du lyc´ ee LOUIS ARMAND de PARIS, ainsi que tous mes coll` egues, qui ont ´ et´ e attentifs ` a mes travaux et m’ont permis de concilier mon activit´ e professionnelle d’enseignant avec cette th` ese. J’ai une pens´ ee toute particuli` ere pour mes coll` egues Anne GAUCHET et Marie-Jos´ ee FAIVRE pour leur aide pr´ ecieuse. Je n’oublie pas non plus mes ´ etudiants de BTS SYSTEMES ELECTRONIQUES.

F´ erial VIROLLEAU et Olivier VENARD de l’ESIEE qui m’ont permis d’utiliser leur laboratoire et d’ap- profondir avec leurs ´ etudiants la technologie ZigBee.

Messieurs S´ ebastien SALAS, Jos´ e REBEJAC et Alain BRITON de l’association JESSICA qui m’ont permis d’investir les connaissances acquises durant ma th` ese dans le projet CAP’TRONIC.

Monsieur S´ ebastien PORTAL de NATIONAL INSTRUMENT qui m’a dispens´ e des conseils techniques et a mis gracieusement ` a ma disposition du mat´ eriel de mesure compl´ ementaire.

Brigitte BELIN, Patrick MEUMEU, Saliou DIOUF, Lamine THIAW, Sofiane BOUYOUCEF, Brahim

DJOUDI, Gilles REY, Christian GABORIAUD et Denis BROUSSE, Fabrice LASNE avec lesquels j’ai eu de passionnants ´ echanges scientifiques autant sur le plan de la recherche que celui de l’enseignement.

Et parce que ce challenge personnel ´ etait aussi familial, je remercie tous mes proches, parents et amis, pour leur patience et encouragements, en particulier mes parents Wilson et Josiane, mon beau p` ere Joseph. Une pens´ ee ´ emue pour ma belle-m` ere Alice qui n’a pu partager avec moi l’aboutissement de tous ces efforts et

`

a qui je d´ edie cette th` ese.

Je tiens tout particuli` erement ` a exprimer toute mon admiration ` a Jo¨ elle, mon ´ epouse pour m’avoir soutenu et accompagn´ e dans cette grande exp´ erience scientifique mais surtout personnelle qu’est une th` ese. Elle a su faire preuve d’une infinie patience.

Jackson FRANCOMME

Juin 2008

Table des mati` eres

1 Introduction 1

2 D´ efinition du probl` eme et contexte de l’´ etude 5

2.1 Introduction . . . . 5

2.2 R` eglementation sur les transmissions radiofr´ equence . . . . 6

2.3 Coexistence de l’IEEE 802.15.4 avec les autres technologies sans fil . . . . 7

2.4 Introduction ` a ZigBee/IEEE 802.15.4 . . . . 8

2.5 Description du contexte de recherche . . . . 8

2.5.1 Architecture du r´ eseau . . . . 8

2.5.2 Les communications et la consommation . . . . 10

2.5.3 La synchronisation dans le r´ eseau maill´ e . . . . 11

2.5.4 Le routage . . . . 11

2.6 Les techniques de qualit´ e de service dans les r´ eseaux sans fil . . . . 11

2.7 Notre contribution . . . . 12

2.8 Conclusion . . . . 12

3 Qualit´ e de Service dans les r´ eseaux de capteurs sans fil ZigBee 15 3.1 R´ eseaux de capteurs sans fil industriels . . . . 15

3.2 Analyse des caract´ eristiques principales du standard IEEE 802.15.4 . . . . 16

3.2.1 Description g´ en´ erale du standard . . . . 17

3.2.1.1 Les dispositifs du r´ eseau . . . . 17

3.2.1.2 Les topologies r´ eseau . . . . 17

3.2.2 La couche physique . . . . 20

3.2.3 La sous-couche MAC . . . . 21

3.2.3.1 Description g´ en´ erale . . . . 21

3.2.3.2 Les modes de fonctionnement du protocole IEEE 802.15.4 . . . . 22

3.2.3.3 La structure de la supertrame . . . . 23

3.2.4 Les m´ ecanismes de la sous-couche MAC . . . . 25

3.2.4.1 Les m´ ecanismes de l’algorithme CSMA/CA . . . . 25

3.2.4.2 M´ ecanisme de d´ ecouverte des nœuds . . . . 26

3.2.4.3 Allocation et gestion des GTS . . . . 26

3.2.5 Analyse temporelle du standard IEEE 802.15.4 . . . . 29

3.2.5.1 Communication en CAP avec comp´ etition pour l’acc` es au m´ edium . . . . . 29

3.2.5.2 Communications en CFP sans comp´ etition avec ´ ech´ eance garantie . . . . . 31

3.3 Synchronisation des cellules dans un r´ eseau maill´ e . . . . 32

3.3.1 Collision de balises dans un r´ eseau avec une topologie en arbre de cellules . . . . 33

3.3.2 Approches simples pour l’esquive de collision de trames balise . . . . 35

3.3.2.1 Esquive de collision par multiplexage temporel de supertrames . . . . 35

3.3.2.2 Optimisation du multiplexage temporel par groupement de nœuds . . . . . 38

3.3.2.3 Esquive de collision par section exclusive de trames balise . . . . 41

3.3.3 Conclusion sur la synchronisation . . . . 45

3.4 La Qualit´ e de Service dans le routage . . . . 46

3.4.1 Introduction sur les protocoles de routage ` a ´ economie d’´ energie . . . . 46

3.4.2 Principes des protocoles OLSR et AODV . . . . 47

3.4.2.1 OLSR . . . . 47

Jackson F

3.4.2.2 AODV . . . . 48

3.4.2.3 QOLSR . . . . 49

3.4.2.4 Le routage dans ZigBee . . . . 49

3.4.2.5 Bilan des m´ ethodes de routages existantes pr´ esent´ ees . . . . 50

3.4.3 Conclusion sur le routage . . . . 51

3.5 Aspects consommation . . . . 51

3.5.1 Hi´ erarchie de la consommation . . . . 51

3.5.2 Analyse de la consommation ´ energ´ etique au niveau du MCU . . . . 53

3.5.2.1 Relation entre la consommation et le temps . . . . 54

3.5.2.2 Puissance dissip´ ee et consommation ´ energ´ etique . . . . 54

3.5.2.3 Technologie des processeurs . . . . 55

3.5.3 Unit´ e de communication (Emetteur/R´ ecepteur sans fil) . . . . 56

3.5.4 Unit´ e d’acquisition et d’action sur l’environnement . . . . 56

3.5.5 Techniques logicielles de r´ eduction de la consommation . . . . 57

3.5.5.1 Les Syst` emes Temps R´ eel et l’ordonnancement de tˆ aches orient´ e ´ economie d’´ energie . . . . 57

3.5.5.2 Les diff´ erentes m´ ethodes de transmission . . . . 57

3.5.5.3 Rapport cyclique . . . . 57

3.5.5.4 Ex´ ecution ` a distance et optimisation de code . . . . 58

3.5.6 Unit´ e de stockage de l’´ energie et syst` emes associ´ es . . . . 58

3.5.6.1 Dimensionnement de la capacit´ e d’une batterie . . . . 58

3.5.6.2 Comportements des batteries . . . . 59

3.5.6.3 Mod` eles de batteries pour l’estimation de l’´ etat de charge . . . . 60

3.5.6.4 Algorithme de Handy-Timmermann . . . . 63

3.5.6.5 Synth` ese des m´ ethodes de mod´ elisation des batteries . . . . 63

3.5.6.6 Conclusion sur les techniques d’estimation de l’´ etat de charge de la batterie 64 3.5.7 Protocoles de communication avec gestion de l’´ energie . . . . 66

3.5.8 Syst` emes de recharge de batterie ou fonctionnement sans batterie (Harvesting) . . . 66

3.6 Conclusion sur la qualit´ e de service dans les r´ eseaux sans fil . . . . 66

4 Propositions d’am´ elioration de la Qualit´ e de Service pour un r´ eseau maill´ e 67 4.1 Les m´ etriques de performances et les sc´ enarios d’exp´ erimentation . . . . 67

4.2 D´ emarche de validation . . . . 68

4.3 Synchronisation dans un r´ eseau maill´ e utilisant le standard IEEE 802.15.4 . . . . 68

4.3.1 Contribution pour l’am´ elioration de la synchronisation des balises dans un r´ eseau maill´ e . . . . 68

4.3.1.1 Principe de la m´ ethode de synchronisation des balises . . . . 70

4.3.1.2 Description du sc´ enario avec un coordinateur d´ efaillant . . . . 71

4.3.1.3 Estimation du d´ elai de synchronisation du r´ eseau sans le m´ ecanisme des demi-p´ eriodes . . . . 72

4.3.1.4 Estimation du d´ elai de la synchronisation avec le m´ ecanisme des demi-p´ eriodes 72 4.3.1.5 Estimation de l’´ energie n´ ecessaire ` a la synchronisation avec le m´ ecanisme des demi-p´ eriodes . . . . 74

4.3.1.6 Remplacement d’un coordinateur d´ efaillant . . . . 74

4.3.1.7 Evaluation du d´ elai de remont´ ee des informations de synchronisation vers le superviseur . . . . 75

4.3.2 Extension de la synchronisation des balises et des GTS . . . . 76

4.3.2.1 Extension du principe de synchronisation des balises . . . . 78

4.3.2.2 Principe de synchronisation des GTS . . . . 81

4.3.2.3 Principe des GTS Virtuels . . . . 84

4.3.2.4 Limite de la solution des CFTS et CFGTS . . . . 85

4.3.2.5 Le cas des r´ eseaux ´ etendus . . . . 85

4.3.3 Conclusion pr´ eliminaire sur le principe des synchronisations propos´ ees . . . . 86

4.4 Ordonnancement de trames au sein d’une cellule . . . . 87

4.4.1 Principe d’ordonnancement des GTS dans la CFP . . . . 87

4.4.2 Ordonnancement conjoint de CFGTS : intra-cellulaire et extra-cellulaire . . . . 87

4.5 Validation par R´ eseaux de Petri Temporis´ es du m´ ecanisme de synchronisation de balises

pour le r´ eseau maill´ e . . . . 88

4.5.1 Introduction sur la validation formelle . . . . 88

4.5.2 Principe de la validation par R´ eseaux de Petri Temporis´ es du m´ ecanisme de synchro- nisation de balises . . . . 88

4.5.3 Choix du langage de mod´ elisation . . . . 89

4.5.4 Propri´ et´ es ` a valider . . . . 90

4.5.5 M´ ethodes d’analyse . . . . 90

4.5.6 Structure du syst` eme ` a mod´ eliser . . . . 91

4.5.7 Hypoth` eses pour la mod´ elisation . . . . 92

4.5.8 Mod´ elisation du m´ ecanisme de synchronisation sans contrˆ ole de propagation . . . . . 92

4.5.8.1 Mod` ele simple du superviseur de synchronisation . . . . 92

4.5.8.2 Mod` ele simple d’un coordinateur . . . . 93

4.5.8.3 Mod` ele du support de communication . . . . 94

4.5.8.4 R´ esultats de l’analyse sur la synchronisation sans contrˆ ole de propagation . 94 4.5.8.5 Conclusion pr´ eliminaire pour l’analyse sans contrˆ ole de propagation . . . . 97

4.5.9 Mod´ elisation du m´ ecanisme de synchronisation avec contrˆ ole de propagation . . . . . 97

4.5.9.1 Mod` ele du superviseur de synchronisation avec gestion des demi-p´ eriodes . 97 4.5.9.2 Mod` ele d’un coordinateur de cellule avec contrˆ ole de propagation . . . . 98

4.5.9.3 Mod` ele du support de communication . . . . 98

4.5.9.4 R´ esultats de l’analyse de la synchronisation avec contrˆ ole de propagation . 98 4.5.10 Extension de l’analyse du mod` ele du r´ eseau . . . 100

4.5.11 Conclusion et perspectives pour la synchronisation . . . 101

4.6 Proposition de routage r´ eactif avec QdS . . . 102

4.6.1 AODV en : une technique de routage adaptatif pour r´ eseaux de capteurs sans fil . . 103

4.6.1.1 M´ etrique pour le choix de route . . . 104

4.6.1.2 Illustration avec notre simulateur de routage . . . 104

4.6.2 R´ esultats comparatifs . . . 105

4.6.2.1 Descriptif des fonctionnalit´ es du simulateur . . . 105

4.6.2.2 R´ esultats des simulations et analyse . . . 107

4.6.2.3 Conclusion pr´ eliminaire sur le routage multicrit` ere . . . 109

4.6.3 Extension de la technique de recherche de route . . . 110

4.6.3.1 Principe d’´ evaluation du coefficient de pond´ eration ´ energ´ etique ζ . . . 111

4.6.3.2 Param` etre de contrˆ ole d’admission . . . 112

4.7 Validation exp´ erimentale pour la consommation d’un nœud sans fil . . . 112

4.7.1 Description du premier sc´ enario de mesure . . . 113

4.7.1.1 D´ emarche d’´ evaluation de la consommation d’un nœud . . . 113

4.7.1.2 Evaluation de la consommation globale du nœud . . . 114

4.7.1.3 Conclusion pr´ eliminaire pour la consommation globale du nœud . . . 116

4.7.1.4 Evaluation de la consommation pour les 15 niveaux de transmission . . . . 116

4.7.2 Sc´ enario de contrˆ ole ` a distance . . . 117

4.7.2.1 Description des diff´ erents niveaux de consommation du nœud contrˆ oleur . 118 4.7.3 Conclusion pr´ eliminaire sur l’´ evaluation de la consommation d’un nœud . . . 120

4.8 D´ etection du niveau de charge de la batterie . . . 120

4.8.1 Analyse exp´ erimentale du comportement d’une batterie . . . 120

4.8.2 Ajustement de l’estimation de la charge de la batterie . . . 124

4.8.3 Conclusion sur l’analyse exp´ erimentale du comportement de la batterie . . . 126

5 Conclusion et perspectives 127

Bibliographie g´ en´ erale 131

A Annexe - Extrait des constantes du standard IEEE 802.15.4 139

Glossaire 143

Liste des figures 147

Liste des tableaux 151

Publications personnelles 153

Chapitre 1

Introduction

Nous constatons aujourd’hui, dans le domaine des communications industrielles et grand-public, un grand int´ erˆ et pour les r´ eseaux d’appareils qui communiquent par liaison radio et qui s’auto-organisent.

Chaque appareil peut servir de relais ` a ses voisins en r´ e´ emettant un message re¸ cu qui ne lui serait pas adress´ e. C’est le cas de la plupart des r´ eseaux ad hoc de capteurs sans fil.

Actuellement, de nombreuses applications sont envisag´ ees pour ces r´ eseaux de capteurs, dans des do- maines aussi vari´ es que la robotique, le transport, la d´ efense, le contrˆ ole de processus industriel, la sur- veillance environnementale et le t´ el´ ediagnostic ` a distance, la sant´ e, l’habitat intelligent, la radiolocalisa- tion d’int´ erieur et diverses autres applications commerciales [Cho03, Lin04]. Leur fonction consiste sou- vent ` a surveiller une zone g´ eographique et ` a remonter une alarme ou activer un actionneur par exemple.

[Sma06, Car03] illustrent cette fonction par la pr´ esentation d’un dispositif de surveillance de feux de forˆ ets

`

a base d’un r´ eseau de poussi` eres ´ electroniques communicantes (Smart Dust ou eGrain). On d´ esigne ´ ega- lement ces dispositifs « d’intelligence ambiante » dans la mesure o` u il s’agit d’enfouir les technologies de la soci´ et´ e de l’information (Pervasive technologies) dans le tissu mˆ eme de la soci´ et´ e. Les ordinateurs et les r´ eseaux s’int` egrent dans l’environnement quotidien (Ubiquitous technologies) et communiquent entre eux ; on parle du M2M (Machine to Machine).

Ces communications Machine ` a Machine (M2M ) [Syn06] peuvent ˆ etre d´ efinies comme l’association des Technologies de l’Information et de la Communication (TIC ) avec des objets intelligents et communicants, dans le but de donner ` a ces derniers les moyens d’interagir avec le syst` eme d’information d’une organisation ou d’une entreprise. Ces types de communication existent depuis longtemps ; c’est l’´ evolution technologique et la baisse des coˆ uts de communication et de l’´ electronique embarqu´ ee qui font aujourd’hui porter sur le M2M un grand int´ erˆ et. [Car03] pr´ esente un exemple concret dans lequel une application ` a base de capteurs sans fil Infineon int´ egr´ ee dans une moquette permet de surveiller des zones de haute s´ ecurit´ e.

Ces communications bas´ ees essentiellement sur une structure de r´ eseau non-architectur´ ee (Ad hoc) pr´ esentent de nombreux avantages ; ces r´ eseaux permettent une grande flexibilit´ e en termes d’infrastructure, et de robustesse dans la mesure o` u ils peuvent ˆ etre fixes, semi-fixes ou mobiles. Ils s’adaptent ainsi ` a des situations diff´ erentes et ` a des al´ eas potentiels. Ceux-ci peuvent ˆ etre install´ es rapidement dans des endroits difficiles ` a cˆ abler et sont donc peu coˆ uteux.

Les technologies sans fil ont d’ores et d´ ej` a remplac´ e les r´ eseaux cˆ abl´ es dans un grand nombre d’applica- tions domestiques et bureautiques. Devenant des technologies de grande consommation, leur coˆ ut diminue et elles suscitent ainsi un int´ erˆ et croissant pour l’industrie [App06, Ind07] qui souhaite ´ egalement b´ en´ eficier de leurs avantages. Ces technologies permettent une adaptation aux contraintes des applications indus- trielles de contrˆ ole de processus telles que le contrˆ ole de l’´ energie ´ electrique consomm´ ee et le d´ eterminisme pour la transmission des donn´ ees. Aujourd’hui encore, l’essentiel des architectures de contrˆ ole de processus industriel automatis´ e reste filaire, g´ en´ erant une mobilit´ e r´ eduite. En g´ en´ eral, les applications industrielles, comme la lecture de capteurs

, n´ ecessitent un faible d´ ebit, mais un haut niveau de fiabilit´ e, tandis que les applications commerciales, comme les r´ eseaux informatiques de gestion, entraˆınent un volume et un d´ ebit de donn´ ees tr` es important.

1Nous associerons au terme«capteur»tout dispositif constitu´e d’un transducteur et/ou d’un dispositif agissant sur son environnement, d’une structure microprogramm´ee ainsi que d’une interface de communication sans fil faible port´ee.

Jackson F

2 Chap. 1. Introduction

L’ouverture des moyens de communication n’est pas sans risque car les informations peuvent y ˆ etre alt´ er´ ees par des ph´ enom` enes externes ; ceux-ci peuvent provenir de l’homme, de l’organisation des proc´ e- dures et des dispositifs de contrˆ ole d’erreurs, des pannes, des accidents mais ´ egalement de malveillance ou d’espionnage.

La probl´ ematique du contrˆ ole industriel sans fil existe depuis plusieurs ann´ ees. [Alv02, Kon05] pro- posent par exemple une solution hybride cˆ abl´ ee/sans fil pour la technologie PROFIBUS permettant de pr´ eserver le comportement temps r´ eel sur l’ensemble du r´ eseau. Afin de standardiser les applications sans fil dans le domaine industriel, le comit´ e ISA-SP100

a ´ et´ e form´ e en 2005 ; deux sous-comit´ es proposent des recommandations : ISA-SP-100 WG3 se penche surtout sur le standard de communication reli´ e aux p´ eriph´ eriques de lecture (sondes de temp´ erature, de pression) tandis que WG4

travaille sur les normes du monitoring [Isa07, Smi06].

Parmi les standards de communication sans fil qui se sont impos´ es, on trouve principalement les stan- dards IEEE 802.11.b/g, Bluetooth et ZigBee [Des06, Gue06], ces derniers particuli` erement destin´ es aux r´ eseaux personnels (WPAN - Wireless Personnal Area Networks). D’autres r´ eseaux sans fil existent, mais ne semblent pas ` a ce jour aboutis, comme UWB, WINA, WiMax, WiBree, Z-Wave, etc. Le respect de contraintes temps r´ eel par les applications de contrˆ ole de processus industriel joue un rˆ ole fondamental dans le cadre des applications qui nous concernent. En effet, dans une application de supervision, lorsqu’un

´ ev` enement se produit et n´ ecessite une r´ eaction, celle-ci doit intervenir au plus tard avant un instant connu et born´ e. Ce temps de r´ eaction born´ e est appel´ e contrainte temps r´ eel et d´ epend de la dynamique du syst` eme. Nous avons aujourd’hui une bonne vision des contraintes que doivent respecter ces syst` emes de communication sans fil pour pouvoir impl´ ementer les diff´ erentes classes d’applications. Dans la litt´ erature, aucun des standards de communication pour les r´ eseaux de capteurs ne r´ epond aujourd’hui ` a ces exigences d’environnement fortement contraint. Les caract´ eristiques essentielles sont la flexibilit´ e des topologies, une propagation radio robuste, la s´ ecurisation des donn´ ees, un d´ eterminisme au niveau du transport des donn´ ees garantissant des temps de transmission born´ es pour les applications sensibles au temps de « latence » et

« gigue » , l’immunit´ e ` a certaines perturbations ´ electromagn´ etiques dans les bandes des fr´ equences utilis´ ees, une compatibilit´ e des ´ equipements. De plus, les ´ el´ ements de ces r´ eseaux ´ etant soumis ` a une forte contrainte de consommation en raison de leur dimension r´ eduite ainsi qu’` a leur d´ eploiement, il est n´ ecessaire de leur conserver une autonomie aussi grande que possible qui nous conduit ` a optimiser l’´ energie, par la mise en place de strat´ egies protocolaires de modes basse consommation et de d´ ecouverte de routes optimales.

Les r´ eseaux de capteurs sans fil (WSN - Wireless Sensor Network) sont un type particulier de r´ eseau Ad hoc dans lesquels les nœuds sont des capteurs intelligents (Smart Sensors), de petite taille (approximative- ment de la taille d’une pi` ece de monnaie) et ´ equip´ es de fonctionnalit´ es avanc´ ees telles qu’un microcontrˆ oleur, un transducteur et/ou actionneur et un ´ emetteur/r´ ecepteur sans fil ` a faible port´ ee. Dans ce type de r´ eseau, les nœuds capteurs ´ echangent des informations sur l’environnement dans le but d’obtenir un aper¸ cu sur une r´ egion contrˆ ol´ ee.

Ces r´ eseaux peuvent ˆ etre compos´ es de nombreux capteurs r´ epartis sur des surfaces de quelques m` etres carr´ es ` a plusieurs centaines de m` etres carr´ es. Les standards de communication permettant de r´ epondre aux contraintes ´ enum´ er´ ees dans le paragraphe pr´ ec´ edent ne sont pas nombreux ; la technologie IEEE 802.15.4/ZigBee qui a ´ et´ e utilis´ ee dans cette th` ese semble actuellement la seule qui dispose de carac- t´ eristiques et de potentialit´ es r´ epondant globalement ` a celles-ci. Elle permet notamment une approche d´ eterministe de la gestion de la bande passante par un m´ ecanisme adapt´ e de la sous-couche MAC et offre

´ egalement une meilleure qualit´ e de liaison radio, compar´ ee aux syst` emes similaires. De plus, elle a ´ et´ e con¸ cue dans un esprit de pr´ eservation de l’´ energie consomm´ ee afin d’accroˆıtre l’autonomie du nœud capteur et de l’application r´ eseau. Le standard IEEE 802.15.4 nous apporte donc d’autres avantages, tels qu’une faible consommation ´ energ´ etique, la gestion de la consommation au niveau de la couche MAC (couche 2 du mod` ele OSI ), mais ´ egalement sa capacit´ e ` a g´ erer un nombre ´ elev´ e de capteurs. Tr` es souvent, ces contraintes sont consid´ er´ ees distinctement afin d’apporter des am´ eliorations au comportement d’un standard ; c’est ainsi que l’on consid` ere s´ epar´ ement le probl` eme de l’optimisation en consommation et celui du d´ eterminisme.

Il nous a sembl´ e n´ ecessaire d’apporter un nouveau m´ ecanisme qui permette de prendre en consid´ eration des param` etres li´ es ` a l’´ etat ´ energ´ etique de chacun des capteurs du r´ eseau mais aussi li´ es ` a la r´ eactivit´ e du syst` eme, alors que les standards actuels consid` erent ces contraintes s´ epar´ ement.

2ISA :Instrument Society of America

3WG4 :Working Group 4

3

Nous consid´ erons donc dans ce m´ emoire, un contexte de supervision et de contrˆ ole de processus dans un environnement industriel, c’est-` a-dire dans un domaine d’applications o` u certaines classes de donn´ ees n´ ecessitent des ´ ech´ eances temporelles garanties pour la remise de messages. C’est ainsi que nous proposons un concept d’implantation d’une architecture sans fil centralis´ ee de nœuds capteurs correspondant ` a une organisation de r´ eseau en arbre de cellules (Cluster-Tree) de l’alliance ZigBee, d´ evelopp´ ee au niveau de la couche r´ eseau. Les nœuds capteurs sont organis´ es en cellules et le recouvrement de leur zone de couverture permet une certaine mobilit´ e, chacune des cellules ´ etant administr´ ee par un coordinateur. Les nœuds capteurs appartenant de fa¸ con permanente ` a une seule cellule, nous pr´ ef´ erons parler de flexibilit´ e plutˆ ot que de mobilit´ e.

Dans cette optique d’implantation pour un grand r´ eseau organis´ e en arbre de cellules, commun´ ement appel´ e passage ` a l’´ echelle, il sera indispensable de compl´ eter la sp´ ecification de la couche MAC du standard IEEE 802.15.4 afin de permettre le fonctionnement concurrent de plusieurs cellules, notamment pour

´

eviter les collisions de trames de synchronisation et/ou de donn´ ees. Cette couche MAC offre les bases protocolaires ` a une couche sup´ erieure « r´ eseau » pouvant avantageusement en tirer parti, en particulier sur la qualit´ e des liens, afin d’assurer un routage adaptatif. Nous d´ evelopperons pour cela une m´ ethode d’acc` es au m´ edium bas´ ee sur le standard IEEE 802.15.4, adapt´ ee au d´ eterminisme et aux exigences de QdS telles que l’absence de collision pour les messages ` a ´ ech´ eance garantie et la faible consommation ´ energ´ etique. Cette m´ ethode propose une extension de la couche MAC adapt´ ee au LP-WPAN

s’appuyant sur le standard IEEE 802.15.4/ZigBee en faisant des hypoth` eses r´ ealistes sur des r´ eseaux maill´ es de capteurs, de taille moyenne.

Nous proposons la mise au point de m´ ecanismes d’adaptation dynamique du r´ eseau en fonction des contraintes du milieu, de faible d´ ebit et des applications, puis nous validons les principes en utilisant les r´ eseaux de Petri, ou la simulation, ou encore le prototypage sur une architecture r´ eelle ` a base de technologie Freescale [Fre07].

La suite du m´ emoire est organis´ ee de la fa¸ con suivante :

Le chapitre 2 « D´ efinition du probl` eme et contexte de l’´ etude » pr´ esente la structure de r´ eseau retenue et les principes recherch´ es. Nous pr´ esentons ensuite chronologiquement les probl` emes ` a r´ esoudre afin de permettre une communication multi-niveaux dans un r´ eseau maill´ e de capteurs sans fil, tout en garantissant un certain d´ eterminisme et une optimisation associ´ ee de la consommation.

Le chapitre 3 « Qualit´ e de Service dans les r´ eseaux de capteurs sans fil : ZigBee » pr´ esente les diff´ e- rents aspects de la probl´ ematique pour des applications mettant en œuvre des r´ eseaux de transmission sans fil dits, basse consommation. Dans un premier temps, nous pr´ esentons les caract´ eristiques du standard IEEE 802.15.4, utilis´ e par ZigBee, apportant une optimisation de la consommation ´ ener- g´ etique en mˆ eme temps qu’un comportement d´ eterministe, en accord avec un fonctionnement dans un contexte de contrˆ ole de processus industriel, tout en consid´ erant une architecture de r´ eseau rela- tivement simple. Dans un deuxi` eme temps, nous analysons la capacit´ e du standard IEEE 802.15.4

`

a conserver les caract´ eristiques pr´ ec´ edentes dans une architecture de r´ eseau ´ etendu, beaucoup plus complexe, telle qu’un r´ eseau maill´ e (mesh). Nous retrouvons ainsi dans le r´ eseau, de multiples flux de donn´ ees devant respecter des contraintes temporelles plus ou moins fortes en mˆ eme temps que la capacit´ e du r´ eseau ` a maximiser sa dur´ ee de vie. Afin de proposer notre m´ ecanisme de routage multi- crit` ere des trames ` a travers le r´ eseau tout entier, nous introduisons la n´ ecessit´ e d’apporter au standard IEEE 802.15.4 une synchronisation ` a plusieurs niveaux, c’est-` a-dire pour les balises (beacons ) et les slots de temps garantis (GTS).

Le chapitre 4 « Propositions d’am´ elioration de la Qualit´ e de Service pour un r´ eseau maill´ e » pr´ esente nos diff´ erentes contributions. Notre premi` ere contribution sur la synchronisation permet d’apporter des m´ ecanismes r´ eactifs aux changements de topologie, pour l’esquive de collisions de balises et de GTS dans un r´ eseau maill´ e. Cette synchronisation pr´ eserve l’aspect d´ eterministe du standard IEEE 802.15.4. Nous analysons ensuite le comportement de notre m´ ecanisme de synchronisation, ` a l’aide des r´ eseaux de Petri temporis´ es afin d’assurer un fonctionnement sans faille des applications critiques.

Une fois ces m´ ecanismes rapport´ es, nous d´ ecrivons notre deuxi` eme contribution sur le m´ ecanisme de routage adaptatif AODV en proposant une recherche de routes bas´ ee sur l’optimisation conjointe du d´ elai et de la consommation. Nous pr´ esentons ensuite les r´ esultats comparatifs de routage obtenus

4LP-WPAN : Low Power-Wireless Personal Area Network, une forme de r´eseau LR-WPAN (Low Rate-WPAN) dans lesquels on insiste sur l’aspect tr`es faible consommation

Jackson F

4 Chap. 1. Introduction

par notre simulateur entre les algorithmes de routage actuellement associ´ es au standard ZigBee par rapport ` a notre solution AODV en. Ce flux de trames rout´ ees devra s’ins´ erer entre les flux de trames internes de chacune des cellules sans compromettre les fonctionnements d´ ej` a ´ etablis, et respectant notamment des ´ echeances.

Nous terminons ce chapitre par une analyse exp´ erimentale de la consommation d’une architecture mat´ erielle bas´ ee sur la technologie Freescale, et cela, pour plusieurs sc´ enarios de fonctionnement. Nous compl´ etons cette analyse par une synth` ese de r´ esultats exp´ erimentaux obtenus sur une batterie. Nous serons ainsi en mesure de proposer une optimisation de la dur´ ee de vie de l’application embarqu´ ee sur un syst` eme autonome contraint ´ energ´ etiquement (aliment´ e par batterie). Nous en ferons ´ emerger quelques r` egles pour une exploitation optimale.

Le chapitre 5 « Conclusion et perspectives » propose une synth` ese des r´ esultats obtenus ainsi que des recommandations quant aux diff´ erentes techniques d´ evelopp´ ees, permettant de r´ epondre aux contraintes de temps et d’´ energie. Il propose ´ egalement une continuit´ e de cette th` ese, notamment avec une validation par prototypage d’un r´ eseau de capteurs et d’actionneurs sans fil ` a consommation

´

energ´ etique optimis´ ee (consommation vue cˆ ot´ e r´ eseau) et une qualit´ e de service pour des fonctions de surveillance critique ou des fonctions de contrˆ ole/commande.

Les annexes apportent des informations compl´ ementaires sur les m´ ecanismes de notre simulateur de

routage multicrit` ere ainsi qu’une synth` ese des constantes du standard IEEE 802.15.4, qui seront

utilis´ ees tout au long de ce m´ emoire de th` ese.

Chapitre 2

D´ efinition du probl` eme et contexte de l’´ etude

Ce chapitre pr´ esente le contexte de recherche ` a partir duquel nous ´ etablissons les principes recherch´ es.

Cet environnement devra consid´ erer les contraintes ´ enum´ er´ ees dans le chapitre pr´ ec´ edent. Nous d´ efinissons concr` etement les probl` emes pour lequel nous apportons nos contributions.

2.1 Introduction

Dans les applications de contrˆ ole de processus industriel, les p´ eriph´ eriques bas-niveau et les contrˆ oleurs communiquent g´ en´ eralement via des bus de terrain [Tho05b], les communications cˆ abl´ ees garantissant les contraintes temps r´ eel. L’industrie ` a base de r´ eseau ad hoc a commenc´ e par l’introduction du LAN sans fil au d´ ebut des ann´ ees 80

[Lxe01] pour r´ epondre au nombre croissant de machines informatiques et la n´ ecessit´ e de les interconnecter. En outre, les r´ eseaux personnels sans fil (WPAN) ont ajout´ e une nouvelle dimension ` a l’acc` es sans fil qui a ´ et´ e ` a l’origine d’une explosion du nombre des applications novatrices.

L’´ evolution des r´ eseaux sans fil WPAN apporte aujourd’hui un nouveau paradigme de communication dans lequel les syst` emes et les communications s’auto-organisent, ainsi qu’un certain niveau de la qualit´ e de service (QdS ) qui semble permettre aux r´ eseaux de terrain sans fil de pouvoir atteindre les contraintes recherch´ ees, que nous avons ´ enum´ er´ ees dans le chapitre pr´ ec´ edent (page 2).

Ce nouveau type de r´ eseau est constitu´ e par les dispositifs mobiles. Ces derniers doivent coop´ erer pour fournir la fonctionnalit´ e qui est habituellement apport´ ee par l’infrastructure de r´ eseau, comme par exemple les routeurs, les commutateurs et les serveurs. De tels syst` emes sont parfois d´ esign´ es en tant que r´ eseaux ad hoc mobiles (MANET

). Ils disposent, de part leur conception, de caract´ eristiques importantes telles que :

– l’auto-organisation, bˆ atie sur la connaissance du voisinage et d’algorithmes de routage automatique : d´ ecouverte et maintien de lien avec les diff´ erents nœuds du r´ eseau, d´ etermination du chemin pour une destination donn´ ee, et routage d’un paquet de donn´ ees le long de ce chemin,

– l’adaptation de leur organisation et de leurs communications de fa¸ con dynamique en fonction de l’environnement et des contraintes : coop´ eration des nœuds du r´ eseau en mode point-` a-point pour un fonctionnement globalement correct du r´ eseau et distribution des services associ´ es ` a des m´ ecanismes de s´ ecurit´ e permettant de garantir l’int´ egrit´ e et le secret des donn´ ees.

De nombreuses ´ etudes ont d´ ej` a montr´ e l’int´ erˆ et des standards de communication sans fil et plus parti- culi` erement du standard IEEE 802.15.4 pour notre contexte de r´ eseau de capteurs sans fil [Wan05, Wil05, Blu07, Car06, App06]. Ce standard permet de palier aux limitations actuelles des r´ eseaux de capteurs indus- triels pour lesquels la mobilit´ e est r´ eduite et la capacit´ e d’auto-organisation peu d´ evelopp´ ee ou inexistante [Van07, Val02].

1Dans les ann´ees 1980, les seules solutions envisageables en mati`ere de r´eseaux de donn´ees sans fil recouraient aux bandes

´

etroites, couvertes par des licences, de450-470 MHz, supportant des d´ebits de donn´ees peu ´elev´es, d’environ 4.8 ou 9.6kbps.

2MANET :Mobile Ad hoc NETwork

Jackson F

6 Chap. 2. D´ efinition du probl` eme et contexte de l’´ etude

Ce chapitre pr´ esente les diff´ erentes technologies et les services qui r´ egissent le fonctionnement des r´ eseaux de capteurs sans fil que nous avons choisis pour notre contexte de recherche ; ` a la fois au niveau de l’ensemble des m´ ecanismes d’´ economie d’´ energie locale au nœud, et au niveau de l’ensemble des m´ ecanismes d’associations et de routage associ´ es ` a des contraintes de temps et de consommation pour le r´ eseau tout entier.

Cette th` ese s’int` egre dans la th´ ematique Ing´ enierie des syst` emes de communication sans fil du labo- ratoire LATTIS EA-4155 de l’UTM et de l’INSA, Universit´ e de Toulouse. Le groupe de recherche SCSF (Syst` emes Communicants Sans Fil) compos´ e de sp´ ecialistes des domaines ´ electronique, automatique et in- formatique collabore ` a des activit´ es transversales sur les r´ eseaux sans fil. Celles-ci sont ax´ ees principalement sur des m´ ethodes de mod´ elisation et validation formelles, sur l’utilisation de m´ ethodes de simulation de r´ eseaux, mais aussi le prototypage r´ eel et la m´ etrologie des couches physiques et protocolaires basses. Dif- f´ erents aspects du sans fil sont ainsi abord´ es tels que la mod´ elisation de liens asynchrones Bluetooth (IEEE 802.15.1 ) pour les syst` emes communicants sans fil [Kho07], l’acc` es d´ eterministe pour le r´ eseau personnel sans fil ZigBee (IEEE 802.15.4 ) avec fortes contraintes temporelles [Van07], la mod´ elisation de la chaˆıne d’´ emission/r´ eception pour le protocole WiMAX (IEEE 802.16) [Fou08], etc. Cette th` ese est ´ egalement une suite logique ` a la th` ese de D. Vilcu [Vil04] et de la th` ese de S. Chebira [Che06] dirig´ ee par Monsieur Gilles Mercier [Mer07]. D. Vilcu a propos´ e des m´ ecanismes permettant ` a une architecture monoprocesseur et multiprocesseur d’associer la consommation aux contraintes habituelles du temps r´ eel. S. Chebira aborde, quant ` a lui un premier niveau de qualit´ e de service ax´ e sur le d´ eterminisme pour les communications in- tracellulaires. Sa m´ ethode propose l’organisation des messages et l’attribution des slots de temps garantis (GTS - Guaranteed Time Slot ) afin d’assurer les ´ ech´ eances des messages, c’est-` a-dire la transmission, la r´ eception et le traitement de celui-ci. L’aspect ´ energie est bas´ e uniquement sur l’endormissement du nœud capteur et son r´ eveil un peu avant son GTS, apr` es avoir re¸ cu la trame balise de son coordinateur dans laquelle il a extrait les informations sur la supertrame (mode balis´ e) et les informations sur l’emplacement du GTS qui lui a ´ et´ e allou´ e.

Cette nouvelle th` ese ´ etend la gestion de l’´ energie ` a des m´ ecanismes utilisant, l’ensemble des modes de fonctionnement du standard IEEE 802.15.4, une information optimale sur l’´ etat de charge de la batterie des nœuds mais utilisant ´ egalement des m´ ecanismes de recherche de chemins de routage dans le r´ eseau consid´ erant conjointement l’´ energie et le d´ elai.

2.2 R` eglementation sur les transmissions radiofr´ equence

L’´ evolution progressive du monde des t´ el´ ecommunications vers des r´ eseaux et des services de nouvelle g´ en´ eration r´ esulte de la conjonction d’un ensemble de facteurs comme les ´ evolutions des t´ el´ ecommunica- tions, le d´ eveloppement de nouveaux services. Le d´ eveloppement des r´ eseaux WLAN a ´ et´ e rendu possible par l’ouverture des bandes de fr´ equences ISM (acronyme de « Industrial, Scientific, and Medical » ). En France, le r´ egime d’autorisation pour les r´ eseaux LAN s’est assoupli depuis le 25 juillet 2005. Les r´ eseaux LAN r´ eserv´ es ` a un usage priv´ e ne n´ ecessitent plus de d´ emarche particuli` ere aupr` es de l’ARCEP

[Arc07].

Une simple d´ eclaration aupr` es de l’ARCEP suffit, sous r´ eserve du strict respect des conditions techniques relatives ` a la puissance d’´ emission, aux excursions en fr´ equence, et ` a la perturbation de fr´ equences voi- sines. Les champs d’applications typiques utilisent aujourd’hui des r´ eseaux sans fil tels que les dispositifs Bluetooth (WPAN)[Mer05, Val02], Wifi (WLAN)[Fra05], le DECT

pour les t´ el´ ephones sans fil, etc.

– En m´ etropole, les ´ emissions radio´ electriques sont limit´ ees dans la bande de fr´ equences 2400-2454 MHz ` a une PIRE (Puissance Isotrope Rayonn´ ee Equivalente) maximum de 100mW. Dans la bande 2454-2483,5 MHz ` a une PIRE de 100 mW en int´ erieur et 10 mW en ext´ erieur.

– La bande de fr´ equences 5,15-5,35 GHz est ´ egalement utilisable en int´ erieur si on ne d´ epasse pas une PIRE de 200 mW. Elle est interdite en ext´ erieur.

Des exemples de champs d’applications futurs des r´ eseaux sans fil pour l’industrie sont illustr´ es dans [Jau06]. On y indique qu’en l’´ etat actuel des d´ eveloppements, seuls les standards 802.11 et Bluetooth remplissent les conditions minimales d’´ eligibilit´ e, mais ils n´ ecessitent encore d’importants travaux ` a mener

3ARCEP :Agence de R´egulation des Communications Electroniques et des Postes, ex.ART (Agence R´egulation des T´e- l´ecommunications)

4DECT :Digital Enhanced Cordless Telephone

2.3 Coexistence de l’IEEE 802.15.4 avec les autres technologies sans fil 7

pour pouvoir r´ epondre de fa¸con satisfaisante ` a l’ensemble des besoins et contraintes exprim´ es par les industriels

.

On distingue habituellement plusieurs cat´ egories de r´ eseaux sans fil, selon leur connectivit´ e (appel´ ee zone de couverture) (figure 2.1).

IEEE 802.15.1 - Bluetooth IEEE 802.15.3/3a - UWB IEEE 802.15.4/4a/4b - ZigBee IEEE 802.15.5

WPAN WLAN WMAN WWAN

IEEE 802.11a/b/g/n - Wifi IEEE 802.16/16e - WiMax IEEE 802.20 - MobileFi

IEEE 802.22 WRAN : Wireless Regional Area Networks

Fig. 2.1 – La famille des r´ eseaux sans fil

2.3 Coexistence de l’IEEE 802.15.4 avec les autres technologies sans fil

La cohabitation est la capacit´ e ` a op´ erer, dans une portion du spectre ouvert, sans ˆ etre perturb´ e ou perturber les autres. [Gab04] propose une matrice de cohabitation avec les technologies sans fil Bluetooth, Home-RF/Home-RF2, Wifi/802.11, Wifi 5/802.11a, ZigBee, DECT, nanoNet. Bien que la majeure partie des ´ etudes soient th´ eoriques, on remarque toutefois, et cela semble tout ` a fait logique, que ZigBee/IEEE 802.15.4 travaillant dans la mˆ eme bande de fr´ equence ne puisse ˆ etre compl` etement exempt de perturbations.

Il serait bien possible de choisir des canaux ZigBee non utilis´ es par les autres technologies. L’exemple illustr´ e sur la figure 2.2 permettrait de faire cohabiter les trois canaux IEEE 802.11b (CH

, CH

, CH

) avec 4 canaux IEEE 802.15.4 (CH

, CH

, CH

, CH

) sans perturbations.

CH11

2405MHz

5 MHz IEEE 802.15.4 PHY

22 MHz

CH11

2462 MHz

CH15

2425 MHz

CH20

2450 MHz

CH25 CH26

2475 2480 MHz MHz CH1

2412 MHz

CH6

2437 MHz

IEEE 802.11 PHY

Fig. 2.2 – Cohabitation IEEE 802.15.4 avec IEEE 802.11

L’´ etude men´ ee dans [Rod05] d´ ecrit les caract´ eristiques et les performances d’une couche physique Frees- cale pour le standard IEEE 802.15.4/ZigBee en pr´ esence d’interf´ erences dans la bande ISM du 2.4GHz.

Ces interf´ erences peuvent provenir de communications utilisant le mˆ eme standard, ainsi que de 802.11b/g et 802.15.1/Bluetooth.

5Il est ´egalament indiqu´e que les standardsZigBee,UWB (Ultra Wide Band) ouWiMax peuvent ´egalement r´epondre `a ces contraintes.

Jackson F

8 Chap. 2. D´ efinition du probl` eme et contexte de l’´ etude

2.4 Introduction ` a ZigBee/IEEE 802.15.4

Beaucoup moins connue aujourd’hui que Bluetooth, ZigBee est une norme de transmission de donn´ ees sans fil permettant la communication de machine ` a machine. Sa tr` es faible consommation ´ electrique et son faible coˆ ut ouvre la voie ` a des applications domotiques ´ egalement. ZigBee, utilisant les couches MAC et PHY du standard de communication IEEE 802.15.4, est le prolongement de la norme HomeRF (Home Radio Frequency) qui a, depuis son lancement en 1998, ´ et´ e d´ epass´ ee par Wifi. Les d´ ebits autoris´ es sont relativement faibles, entre 20 et 250 Kbits/s, mais sa tr` es faible consommation ´ energ´ etique en fait son atout principal. ZigBee fonctionne dans le monde entier

sur la bande de fr´ equences des 2,4 GHz et sur 16 canaux.

Sa port´ ee est de plusieurs dizaines de m` etres. Un r´ eseau ZigBee peut contenir jusqu’` a 254 nœuds par cellule en plus d’un nœud qui en assure la gestion, nomm´ e coordinateur. Le protocole ZigBee est optimis´ e pour permettre une dur´ ee de vie de plusieurs mois ` a plusieurs ann´ ees aux dispositifs aliment´ es par batterie. La pile protocolaire est suffisamment petite pour tenir dans la m´ emoire interne d’un microcontrˆ oleur actuel (quelques dizaines de Koctets) [Van07].

De nombreux industriels parmi lesquels, Freescale [Fre07] et Philips [Phi07] sont partie prenante dans l’´ elaboration et la diffusion de la norme. Ils appartiennent ` a l’Alliance ZigBee [All07], association visant

`

a promouvoir la technologie. ZigBee a notamment ´ et´ e cr´ e´ ee pour r´ epondre aux besoins exprim´ es par le march´ e afin de cr´ eer une technologie r´ eseau sans fil domestique (HAN - Home Area Network ) qui soit bon march´ e, bas´ ee sur des standards et capable de supporter de faibles ´ echanges de donn´ ees, en consommant peu, de mani` ere s´ ecuris´ ee et fiable.

2.5 Description du contexte de recherche

2.5.1 Architecture du r´ eseau

Notre structure de r´ eseau d´ epend directement de l’infrastructure industrielle et de l’architecture de l’application de contrˆ ole de processus industriel. Un exemple d’infrastructure de r´ eseau est illustr´ e sur la figure 2.3 ; U P

d´ esigne une unit´ e de production et P S

un poste de supervision.

UP

UP

UP

PS

UP

UP

PS

Fig. 2.3 – Infrastructure de contrˆ ole et d’automatisation

Nous proposons une organisation dans laquelle le trafic de messages au sein d’une cellule pilot´ ee par un coordinateur doit ˆ etre garanti dans le cas de messages p´ eriodiques, ou alors, born´ e dans le temps pour les messages ap´ eriodiques et sporadiques en transit dans la cellule. Ces derniers concernent exclusivement les messages des cellules voisines devant ˆ etre trait´ es localement ou rout´ es. La figure 2.4 donne un exemple d’implantation des nœuds sans fil sur le r´ eseau. A l’int´ erieur de l’infrastructure, des cellules de production correspondent ` a peu pr` es ` a la zone de couverture d’une cellule. Chaque cellule est compos´ ee d’un nœud coordinateur (C

) pilotant sa propre cellule et communiquant avec les autres cellules par le biais des autres coordinateurs de cellule. Ces coordinateurs sont plus commun´ ement nomm´ es dans la litt´ erature « tˆ etes de cellule » (cluster head). Certaines cellules mobiles peuvent se d´ eplacer ` a l’int´ erieur de l’ensemble de

6La couche physique du standardIEEE 802.15.4 comprend deux autres bandes de fr´equences sur la bande ISM :868 MHz en Europe et915 MHz aux Etats-Unis.

2.5 Description du contexte de recherche 9

production. Certains coordinateurs auront simplement un rˆ ole de relais afin d’assurer une continuit´ e de la couverture g´ eographique du site de production (C

, C

, C

, C

). Les nœuds capteurs d’une cellule de production sont suppos´ es peu mobiles au niveau de la cellule. Le lien entre les coordinateurs constitue l’´ epine dorsale du r´ eseau.

Relais1 Relais 2

Coordinateur (FFD) Unité semi-fixe (RFD) C1

C2

C3

C4 C5 C6

C7 C8

C9

C10

Fig. 2.4 – Architecture de l’application de contrˆ ole de processus On distingue trois types de nœuds mobiles :

– Les nœuds connect´ es ` a une cellule qui pourront obtenir au sein de celle-ci une ´ ech´ eance garantie pour la transmission de messages. Ce sont essentiellement des donn´ ees issues de capteurs. L’application

´ etant locale, leur p´ eriodicit´ e est connue. S’ils ne sont pas p´ eriodiques, et afin d’assurer une garantie d’´ ech´ eance, il sera n´ ecessaire de connaˆıtre un intervalle minimum d’inter-arriv´ ee. Le traitement de leur ordonnancement est alors plus d´ elicat.

– Les nœuds attach´ es ` a une cellule, mais ne n´ ecessitant pas une garantie d’´ ech´ eance, qui se verront garantir une bande passante moyenne, donc un temps d’attente moyen connu, et g´ er´ e par le coordi- nateur.

– Les nœuds r´ eellement mobiles qui se d´ eplacent de cellule en cellule et qui pourront transmettre un message ` a tous les membres du r´ eseau. La tˆ ete de cellule g` ere une liste d’acc` es de ses membres

« permanents » et assure un contrˆ ole d’admission des messages externes en ´ etablissant un protocole de n´ egociation principalement bas´ e sur un d´ elai d’attente du message en transit. Ainsi, le nœud mobile pourra choisir la route la mieux adapt´ ee pour transmettre un message ` a un destinataire, en

´ evitant par exemple un point de congestion comme cela est illustr´ e sur la figure 2.5.

Relais1

Relais 2

Unité mobile (FFD/RFD) Unité semi-fixe (RFD) Coordinateur (FFD)

Risque de saturation

Source

Destination

Fig. 2.5 – Probl` eme de routage dans un r´ eseau maill´ e

Jackson F

10 Chap. 2. D´ efinition du probl` eme et contexte de l’´ etude

2.5.2 Les communications et la consommation

Selon que le message est destin´ e ` a ˆ etre propag´ e ` a l’int´ erieur d’une mˆ eme cellule (cas 1 : intracellulaire ), ou transmis ` a travers un r´ eseau global (cas 2 : intercellulaire), la gestion de l’ordonnancement des messages se situera ` a des niveaux diff´ erents de l’organisation du r´ eseau. Les communications locales ` a la cellule, entre l’´ emetteur que nous nommerons producteur et le r´ ecepteur que nous nommerons consommateur, seront g´ er´ ees exclusivement par la tˆ ete de cellule (coordinateur de cellule). Les communications ` a l’´ echelle du r´ eseau seront synchronis´ ees par le coordinateur de r´ eseau PAN afin de garantir la cohabitation de ce flux global avec les communications locales ` a chacune des cellules.

L’architecture adapt´ ee ` a notre applicatif implique que l’´ epine dorsale du r´ eseau (backbone) soit compo- s´ ee d’une partie fixe constitu´ ee essentiellement des coordinateurs de cellules et du coordinateur de r´ eseau PAN, puis d’une partie flexible constitu´ ee des nœuds capteurs.

Pour ce qui concerne les nœuds associ´ es aux communications p´ eriodiques, ils peuvent se d´ eplacer ` a l’int´ erieur de la cellule. Les autres types de nœuds peuvent migrer d’une cellule ` a l’autre, mais leur trafic de donn´ ees subira un contrˆ ole d’admission au niveau du coordinateur qui a en charge la gestion de la nouvelle cellule. Le contrˆ ole d’admission a pour fonction de maintenir les garanties temporelles ` a l’int´ erieur d’une cellule en acceptant les messages externes, donc sporadiques, seulement si le coordinateur ne d´ epasse pas une limite d’utilisation de la bande passante attribu´ ee pour cette fonction de routage.

Si l’on souhaite int´ egrer le concept de r´ eseau adaptatif issu du standard IEEE 802.15.4 dans le concept de r´ eseaux de capteurs/actionneurs on distinguera trois types de communications :

– communications p´ eriodiques, – communications ap´ eriodiques, – communications sporadiques.

On se pose le probl` eme de la capacit´ e de ce type de r´ eseau ` a assurer une garantie d’´ ech´ eance ` a l’´ emission du message. Le standard IEEE 802.15.4 est suffisamment flexible pour accepter cette vari´ et´ e de trafics :

– pour le cas 1 (communications intracellulaires), l’ordonnancement des trames pourra ˆ etre assur´ e localement par le nœud coordinateur en utilisant les fonctionnalit´ es des fenˆ etres GTS

.

– pour le cas 2 (communications intercellulaires), les trames transitant d’une cellule ` a l’autre feront l’objet d’une latence dans la file de transit du coordinateur de cellule qui devra g´ erer une priorit´ e entre les trames internes de sa propre cellule, et celles en attente pour transfert vers une autre cellule.

Il devra d´ efinir une r´ epartition de bande passante entre les cas 1 et 2. Il d´ elivrera ´ egalement une information de d´ elai d’attente moyen au nœud externe. La technique de routage retenue d´ eterminera les performances de d´ elais de transmissions des trames de bout en bout.

La consommation ´ energ´ etique est un param` etre ` a prendre en consid´ eration lorsque l’on veut accroˆıtre l’autonomie des nœuds capteurs :

– Pour le cas 1, au niveau de la cellule, chaque nœud capteur adaptera son activit´ e ` a sa d´ ependance en ´ energie ainsi qu’aux contraintes li´ ees ` a son activit´ e de communication.

– Pour le cas 2, au niveau du r´ eseau, chaque message devra utiliser une route optimale r´ epondant conjointement ` a un crit` ere de consommation et de d´ elai. On consid` erera toutefois que chaque route doit garantir de fa¸ con prioritaire un d´ elai de transmission born´ e.

La consommation ´ energ´ etique doit donc ˆ etre consid´ er´ ee ` a tous les niveaux de la communication : aussi bien sur la couche physique en privil´ egiant les architectures mat´ erielles consommant une ´ energie moindre, qu’aux niveaux des couches protocolaires hautes, dans le but d’accroˆıtre l’autonomie des nœuds capteurs et coordinateurs. Nous consid` ererons le cas g´ en´ eral o` u l’ensemble des nœuds peuvent ˆ etre contraints ´ energ´ e- tiquement et nous affecterons un facteur de charge infini pour les nœuds reli´ es ` a une source d’alimentation fixe.

Pour les nœuds capteurs, les donn´ ees p´ eriodiques peuvent ˆ etre lues ou transmises en utilisant une synchronisation par le syst` eme de suivi de balises, dans lequel les nœuds capteurs doivent se r´ eveiller juste avant la balise pour sa r´ eception, et v´ erifier les messages en attente avant de se rendormir. La balise est

7GTS : Guaranteed Time Slot

2.6 Les techniques de qualit´ e de service dans les r´ eseaux sans fil 11

une trame sp´ eciale ´ emise par une entit´ e qui coordonne l’ensemble des communications au sein d’un r´ eseau PAN respectant une topologie ´ etoile. Cette trame est constitu´ ee d’´ el´ ements permettant la synchronisation, l’identification et la communication du coordinateur vers les autres membres du r´ eseau. Une pr´ esentation plus compl` ete de la fonction de la trame balise sera faite dans la section 3.2.3.

Nous cherchons dans notre d´ emarche ` a apporter des am´ eliorations au standard IEEE 802.15.4, en essayant dans la mesure du possible de respecter, au plus pr` es, celui-ci. En effet, ce standard n’apporte pas de solutions ` a toutes les utilisations possibles, ce qui induit des modifications importantes, l’´ eloignant fondamentalement de ses fonctionnalit´ es initiales, donc du standard.

2.5.3 La synchronisation dans le r´ eseau maill´ e

La synchronisation dans les r´ eseaux WPAN est un point crucial pour des applications temps r´ eel. Comme cette synchronisation des r´ eseaux WPAN IEEE 802.15.4 est assur´ ee essentiellement par le m´ ecanisme des balises

(beacon), la connaissance de ce standard est fondamentale. Le domaine des applications qui nous concerne implique le contexte d’un r´ eseau ´ etendu supportant la topologie en arbre de cellules (cluster-tree) qui est une forme de r´ eseau maill´ e (mesh). La probl´ ematique de diffusion de la synchronisation en devient encore plus importante. De plus, le r´ eseau ´ etant constitu´ e de plusieurs cellules, chacune pilot´ ee par un coordinateur, l’´ emission de balises par l’ensemble de ces coordinateurs devient hasardeuse. Les standards ZigBee [Zig06] et IEEE 802.15.4 [IEE03] n’ont actuellement pr´ evu aucun m´ ecanisme permettant d’esquiver les collisions de trames balise entre cellules adjacentes. Des propositions ont toutefois ´ et´ e faites par le groupe de travail TG4b de l’IEEE [IEE07] afin de rem´ edier ` a ce manque. Nous pr´ esenterons ces propositions dans le §3.3 et discuterons de l’opportunit´ e d’utiliser celles-ci dans notre contexte. A notre connaissance peu de travaux ont ´ et´ e publi´ es dans cet axe de recherche ; l’´ equipe de recherche de l’ISEP-IPP du Portugal a toutefois abord´ e le probl` eme de la synchronisation et apport´ e une contribution sur l’´ evitement de collisions de balises dans [Kou06, Kou07].

La probl´ ematique de la synchronisation dans les r´ eseaux sans fil est tr` es vaste. Nous n’abordons dans cette th` ese que l’aspect relatif ` a l’ordonnancement des balises pour l’esquive de collisions. [Mit07] pr´ esente une description de plusieurs algorithmes portant sur des aspects compl´ ementaires tels que la datation d’´ ev` enements, l’´ evaluation du temps entre deux ´ ev` enements, directement li´ es ` a la synchronisation des horloges de toutes les entit´ es du r´ eseau. Nous consid´ erons que ces aspects de la synchronisation sont r´ ealis´ es par le standard.

2.5.4 Le routage

On comprend intuitivement qu’un effort doit ˆ etre apport´ e ` a tous les niveaux de la communication si on veut obtenir une pr´ eservation maximale de l’´ energie disponible dans chacun des nœuds. Cet effort doit aussi bien ˆ etre appliqu´ e ` a la d´ emarche de routage, dans laquelle la recherche de route pour le transport d’une trame ne doit pas gaspiller l’´ energie propre ` a chaque nœud. Les algorithmes mis en œuvre devront ˆ

etre capables de s’adapter ` a l’´ evolution de l’´ etat du r´ eseau (d´ echarge des batteries) afin de r´ epartir l’effort de routage sur toutes les parties du PAN et garantir ainsi une dur´ ee maximale de l’application de com- munication. Ces algorithmes doivent ´ egalement pouvoir faire face ` a un changement de topologie due ` a la d´ efection d’un ou plusieurs nœuds, par exemple en rupture d’´ energie ou en d´ eplacement.

Il est fort probable qu’une solution unique ne soit pas possible et qu’il faille imaginer une famille de protocoles de routage int´ egrant diff´ erentes options.

2.6 Les techniques de qualit´ e de service dans les r´ eseaux sans fil

Il est difficile d’identifier les crit` eres de QdS que l’on peut attendre d’un r´ eseau sans fil, en particulier face

`

a une grande vari´ et´ e des topologies, des contraintes et des sp´ ecificit´ es du m´ edium de transmission lui-mˆ eme (probl` eme de la station cach´ ee, taux d’erreurs importants, etc) [Val05]. D’autre part, les modifications dans les routes suivies par le flux de transmission am` enent des points de congestion qui peuvent conduire ` a ne plus ˆ etre en mesure d’assurer un niveau de QdS acceptable. A ce probl` eme s’ajoute la mise en sommeil de

8Une balise est une trame ´emise r´eguli`erement par un coordinateur lui permettant principalement de synchroniser et d’informer les nœuds qui lui sont associ´es.

Jackson F

12 Chap. 2. D´ efinition du probl` eme et contexte de l’´ etude

certains nœuds qui reste d´ elicate ` a g´ erer au niveau des m´ ecanismes de Qualit´ e de Service. Notre contribution portera ainsi sur les aspects conjoints de la consommation et du temps, et plus particuli` erement du d´ elai de transmission de bout en bout d’un message.

2.7 Notre contribution

Cette th` ese propose des m´ ecanismes pour les couches protocolaires bas´ es sur les r´ eseaux personnels sans fil associant Qualit´ e de Service (QdS) et ´ economie d’´ energie. Elle consid` ere une topologie de r´ eseau de type maill´ e.

Nous contribuons ` a l’am´ elioration de la Qualit´ e de Service (QdS) par la mise en place d’un m´ eca- nisme d´ eterministe de la sous-couche MAC du standard IEEE 802.15.4 en am´ eliorant les m´ ethodes d’acc` es propos´ ees par le groupe de travail de l’IEEE TG4 et de l’alliance ZigBee, afin de concilier faible latence et optimisation de l’´ energie globale consomm´ ee par l’ensemble du WPAN. Nous apporterons de plus une nouvelle technique de routage offrant un compromis entre la consommation et le d´ elai afin de minimiser la consommation tout en garantissant le respect des ´ ech´ eances du syst` eme.

Enfin, nous validerons par une m´ ethode formelle utilisant la mod´ elisation par r´ eseau de Petri tem- poris´ e puis par une simulation les principes propos´ es, respectivement la synchronisation puis le routage.

L’optimisation et la validation de cette couche MAC sera adapt´ ee aux domaines applicatifs choisis.

Les diff´ erents aspects d´ evelopp´ es dans cette th` ese sont r´ esum´ es sur la figure 2.6 qui relie les trois grandes parties que sont le routage, la synchronisation et la consommation. Il faudra n´ ecessairement consid´ erer le contexte de contrˆ ole de processus industriel dans lequel nous nous sommes plac´ es. On remarque bien que l’aspect routage ne peut pas ˆ etre mis en œuvre sans consid´ erer conjointement l’aspect synchronisation et l’aspect consommation ; l’aspect synchronisation est indispensable pour pouvoir implanter notre proposition de routage tout en conservant le fonctionnement balis´ e du standard IEEE 802.15.4 ; la consommation permet d’appuyer notre recherche d’un m´ ecanisme de routage ´ econome en ´ energie afin de ne pas s’extraire de la philisophie des r´ eseaux de capteurs. On remarquera sur la figure 2.6 le lien entre les diff´ erents aspects abord´ es dans cette th` ese ainsi que nos contributions et leur validation.

2.8 Conclusion

Nos recherches contribuent ` a une ´ evolution du standard IEEE 802.15.4 permettant l’impl´ ementation d’applications de contrˆ ole de processus industriel sur des architectures de communication sans fil maill´ ees.

Nos propositions apportent une QdS suppl´ ementaire, notamment dans la synchronisation des diff´ erentes

cellules par l’utilisation des m´ ecanismes du standard dans le r´ eseau maill´ e, mais aussi dans la capacit´ e du

m´ ecanisme de routage pour s’adapter ` a l’´ evolution des conditions de fonctionnement du r´ eseau, en relation

avec la d´ ependance ´ energ´ etique des nœuds, mais aussi avec l’aspect temporel li´ e aux activit´ es distinctes

de chaque cellule. Ces travaux permettent au laboratoire LATTIS d’´ etendre ses savoir-faire en terme de

protocoles de communication sur les couches basses des r´ eseaux sans fil.