Optimisation de la durée de vie d’un réseau de capteurs

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Optimisation de la durée de vie d’un réseau de capteurs

Amine Abbas

To cite this version:

Amine Abbas. Optimisation de la durée de vie d’un réseau de capteurs. Informatique [cs]. Université

de Franche-comté, 2007. Français. �NNT : 2007BESA2021�. �tel-02104138�

Année 2007

Présentée à

Université de Fran he-Comté

UFRS ien es etTe hniques

Laboratoired'Informatique de l'université de Fran he-Comté

Pour obtenir le

GRADE DE DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE

FRANCHE-COMTÉ

Spé ialité Informatique, Automatique et Produ tique

Optimisation de la durée de vie

d'un réseau de apteurs

par

Amine ABBAS

Soutenue le 28juin 2007 devant la ommission d'examen:

Rapporteurs

Hamama heKheddou i Professeuràl'UniversitéClaudeBernard,Lyon1

ChristianMi hel Professeuràl'UniversitéLouisPasteur,Strasbourg1

Dire teur de Thèse Ja quesBahi Professeuràl'UniversitédeFran he-Comté

Co-en adrant

Sans votre soutien, e travail n'auraitjamaisvu le jour,

à vous et pour vous.

Àmes parents ar 'estd'eux quejetiensladéterminationetlapersévéran e

qui m'ont permis de mener à bien ette thèse. Que sa réalisation leur soit un

témoignage de re onnaissan e et d'ae tion, eux qui dans la simpli ité et

l'hu-milité ont su transmettre à leurs enfants les plus grandes et les plus nobles des

valeurs morales.Vous être mes parents etje suis très er d'être votre ls.

À toi très her père, le plus ourageux et le plus juste des hommes que je

onnaisse, je souhaiterai t'égalerun jour.

Àma hèremère,toiquim'avaitapprisquel'hommesemesuraitauxobsta les

qu'ilfran hissait.

Pour toi Hadia Dahli, du fond du ÷ur mer i de m'avoir supporté tout au

long de ette période, pour ton soutienqui m'a permis d'arriver auterme de e

travail. Ta philosophie qui peut être résumée en une seule phrase : A ts speak

louder thanwords, deviendra mienne.

À mes frères età masoeur.

Ce travail a été ee tué au sein de l'équipe Algorithmique Numérique

Dis-tribuée(AND) du Laboratoired'Informatiquede l'université de Fran he-Comté

(site de Belfort).

Jetiensàremer ieren toutpremierlieuJa quesM.BahietMi helSalomon,

respe tivement dire teur de thèse et o-en adrant, pour m'avoir guidé tout au

longde ettethèse.Sansleur onan eetpatien e, etravailn'auraitsansdoute

pas abouti.

J'exprime ensuite mes plus vifs remer iements à Hamama he Kheddou i et

Christian Mi hel pour avoir a epté de juger e travail et d'en être les

rappor-teurs.

J'adresse toute ma re onnaissan e à la villede Belfort pour m'avoir o troyé

une bourse de thèse.Sans e soutien, e travailn'existerait sûrement pas.

Je remer ie Sylvain Contassot-Vivier pour m'avoir soutenu tout au long de

lapériode allantde mon DEA aujour de masoutenan e.

J'exprimetoutemon amitiéàKamelMazouzi,je teremer ie tout

parti uliè-rement, tuétais plus qu'un ollègue ouun simpleami, je n'oublierai jamaiston

soutienmorallorsdes momentsdi iles,jene trouvepasde motsplusexpressifs

que le mer i si e n'est de te dire Tanmirt Amga. Par la même o asion et du

fonddu ÷ur, mer ià toiJean-Lu Anthoine pour ton amitiésin ère.

Mes remer iements vont également à Na imBetrouni, Pierre-CyrilHeam et

FlavienVernier.

Enn, j'adresse mare onnaissan e àtous lesmembres de l'équipe AND que

Introdu tion 1

I État de l'art sur les réseaux de apteurs 3

1 Qu'est- e qu'un réseau de apteurs 5

1.1 Dénition etobje tif . . . 5

1.2 Quelques domaines d'appli ation . . . 7

1.3 Spé i ités par rapport àun réseauad ho . . . 9

1.4 Dés et ontraintes . . . 10

1.4.1 Ar hite ture d'un n÷ud apteur . . . 10

1.4.2 Toléran e auxpannes et passageà l'é helle . . . 13

1.4.3 Topologied'un réseau de apteurs . . . 13

1.5 Ar hite ture de ommuni ation . . . 14

1.5.1 Cou he physique . . . 15

1.5.2 Cou he liaison de données . . . 16

1.5.3 Cou he réseau . . . 20

2 La problématique de la durée de vie d'un réseau de apteurs 23 2.1 Introdu tion . . . 23

2.2 La notionde durée de vie d'un réseau . . . 24

2.2.1 Un n÷ud défaillant . . . 24

2.2.2 Un nombre de n÷uds a tifs insusant . . . 24

2.3 Optimisation des aspe ts énergétiques . . . 25

2.3.1 Cou he physique . . . 25

2.3.2 Cou he liaison de données . . . 28

2.3.3 Cou he réseau . . . 30

3 Environnements d'expérimentation 33 3.1 Introdu tion . . . 33

3.2 Les plateformesmatérielles existantes . . . 34

3.3 Les outils de simulation. . . 36

3.3.1 Critères d'évaluation . . . 36

3.3.2 NS-2 et SensorSim . . . 37

3.3.4 JiST /SWANS . . . 38

3.3.5 OMNeT++ . . . 39

3.4 Con lusion . . . 39

II Contribution à l'optimisation de la durée de vie d'un réseau de apteurs 41 4 Une ontribution au niveau de la ou he appli ation 43 4.1 Introdu tion . . . 43

4.2 Prin ipe de l'appro he . . . 44

4.3 Fondementss ientiques . . . 45

5 Un algorithme de migration de tâ hes 49 5.1 Formalisationdu problème . . . 49 5.2 Dénitionde l'algorithme . . . 50 5.2.1 Migrationde tâ hes . . . 52 5.2.2 Matri e de diusion. . . 56 5.3 Validité de l'appro he . . . 56 5.3.1 Preuve mathématique . . . 57 5.3.2 Validationexpérimentale . . . 59

6 Simulationde réseaux statiques 63 6.1 Des riptiondu s énario onsidéré . . . 63

6.2 Implémentationde l'algorithme . . . 64

6.2.1 Dis rétisation de la migrationde tâ hes . . . 64

6.2.2 Consommationénergétique d'une arteréseausans ldetype WiFi . . . 65

6.2.3 Consommationénergétique des n÷uds du réseau . . . 73

6.3 Des riptiondes simulations . . . 80

6.4 Performan es de l'algorithme. . . 81

6.4.1 Convergen e des ratios dans le réseau . . . 81

6.4.2 Gain auniveau de la durée de vie du réseau . . . 84

7 Simulationde réseaux dynamiques 87 7.1 Introdu tion . . . 87

7.2 Des riptiondu simulateuren développement . . . 87

7.2.1 Aspe ts réseaux . . . 89

7.2.2 Dénitiondes diérentes lasses onsidérées . . . 90

7.2.3 Consommations énergétiques. . . 91

7.2.4 Niveau d'énergie d'un n÷ud . . . 93

7.2.5 Fon tionnementdu simulateur . . . 93

1.1 Des ription d'un réseaude apteurs. . . 6

1.2 Réseau de apteurs pour la surveillan eà domi iled'un patient. . . . 8

1.3 Ar hite ture d'un n÷ud apteur . . . 11

1.4 Réseau de apteur etgraphe de ommuni ation asso ié. . . 14

1.5 Ar hite ture de ommuni ation - Modèle OSI pour les réseaux de apteurs . . . 14

1.6 Problèmedun÷ud a hé:

a

nesaitpasque

b

peut ommuniquerave

c

,et ré iproquement. . . 19

2.1 Les diérentes phases rythmant lavie du réseau. . . 25

2.2 Durée de vie d'un n÷ud suivant le mode d'é oute. . . 27

2.3 Consommationénergétique asso iée à l'interfa e radio TR1000selon son mode. . . 27

3.1 Quelques n÷uds apteurs de type COTS Dustde l'UC Berkeley. . . . 35

3.2 Noeud MICAz 2,4GHz ave batteries et deux unités de apture. . . . 36

3.3 N÷ud apteur Imote2 sans batteries. . . 37

4.1 Réseau mettant en éviden e leprin ipede l'appro he. . . 44

4.2 Communi ationsdistantes multi-sauts. . . 45

4.3 Mise en éviden e du problème - niveaux d'énergie des n÷uds.. . . 47

5.1 Réseau onsidéré. . . 59

5.2 Courbe d'évolution des ratios suivant le nombre d'itérations dans le as du réseau omplètement onne té. . . 61

5.3 Courbe d'évolution des ratios suivant le nombre d'itérations dans le as du réseau linéaire. . . 61

5.4 Courbe d'évolution des ratios suivant le nombre d'itérations dans le as du réseau mixte. . . 62

6.1 N÷uds apteurs multimédias. . . 63

6.2 Paquets é hangés dans le adre d'une ommuni ation pointà point. . 71

6.3 Courbe d'évolution des ratios dans le as du réseau omplètement onne té (10 n÷uds). . . 82

6.5 Courbe d'évolutiondes ratios dans le as du réseau mixte(20 n÷uds). 83

6.6 Quantitéde données é hangées par haque n÷ud apteur,dans le as

du réseau omplètement onne té (a), du réseau linéaire(b). . . 85

6.7 Comparaison de la durée de vie de haque n÷ud du réseau linéaire (10 n÷uds), sans etave l'algorithme5.1. . . 86

6.8 Courbed'évolutiondu ratiodu n÷ud9sans optimisationde ladurée de vie versus ave optimisation. . . 86

7.1 Lesdiérents omposantsdu simulateurAdho Sim-Net.. . . 88

7.2 Connexion entre n÷uds d'un réseau. . . 89

7.3 Modèle de ommuni ation en mode CDMA. . . 90

7.4 Jauge de batterie . . . 94

7.5 Initialisationd'un n÷ud

i

. . . 95

7.6 Diusiond'initialisation . . . 95

7.7 Gestionnairede tâ hes. . . 97

7.8 Simulationde l'exé ution d'unetâ he.. . . 98

7.9 Routagede données. . . 99

7.10 Gestionnairede messages. . . 99

7.11 (1)Routage ave ACK (2) Refus de routage . . . 100

7.12 Générationdes tables de routage. . . 100

1.1 Norme IEEE 802.15.4 -Cara téristiques des transmissions. . . 16

1.2 Comparaison des normes 802.15.4,802.11bet 802.15.1. . . 16

3.1 Quelques plateformesmatérielles. . . 34

3.2 Ré apitulatifde quelques simulateurs. . . 40

5.1 Symboles de notation. . . 49

5.2 Valeurs initialesdes diérents n÷udsdu réseau. . . 60

5.3 Ratios trouvés pour le réseaude 5n÷uds omplètement onne té. . . 60

6.1 Consommation de la So ket Communi ation In 's Low Power Wire-less LAN Compa t Flash Card. . . 67

6.2 Cara téristiques des adaptateurs WaveLAN de Lu ent. . . 69

6.3 Modèle de onsommationénergétique - WaveLAN Lu entSilver. . . . 72

6.4 Consommationde haque tâ he du jeu de tests (Watts). . . 75

6.5 Impa t de l'a hage sur la onsommationénergétique (Watts). . . . 76

6.6 Consommationénergétique de ombinaisonsde tâ hes (Watts). . . 76

6.7 Consommationénergétique en milli-Ampères. . . 78

6.8 Consommationénergétique en Watts. . . 79

6.9 Consommationen milli-Coulombslorsdes hangementsd'état. . . 79

6.10 Paramétrageénergétique de haque type de n÷ud. . . 80

6.11 Gain moyen de durée de vie pour les diérents réseaux onsidérés. . . 84

7.1 Messages de types 1,3, 4 et5. . . 92

7.2 Message de type 2. . . 93

7.3 Des ription des lasses de n÷uds. . . 102

7.4 Des ription des lasses de tâ hes. . . 102

7.5 Paramètres de simulation. . . 102

7.6 Variationsdu niveau d'énergie de quelques n÷uds de la lasse

Ψ

0

. . . 103

7.7 Variationsdu niveau d'énergie de quelques n÷uds de la lasse

Ψ

1

. . . 104

7.8 Variationsdu niveau d'énergie de quelques n÷uds de la lasse

Ψ

2

. . . 104

7.9 Variationsdu niveau d'énergie de quelques n÷uds de la lasse

Ψ

3

. . 105

7.10 A tivités liées à l'exé ution de tâ hes pour quelques n÷uds de

Ψ

0

. . . 107

7.11 A tivités liées à l'exé ution de tâ hes pour quelques n÷uds de

Ψ

1

. . . 108

Le développement et l'évolution te hnique onstante des réseaux informatiques

rendent notre monde de plus en plus ommuniquant. Ainsi, les progrès réalisés

es dernières années dans le domaine de la miniaturisation des systèmes

mi ro-éle troniques et des te hnologies réseaux sans l se sont notamment traduits par

l'émergen e d'un nouveau type de réseaux informatiques : les réseaux de apteurs

sans l (ou Wireless Sensor Networks). S hématiquement, un réseau de apteurs

sans l est un ensemble de n÷uds apteurs apables de re ueillir des informations

sur leurenvironnementpro he, ommepar exempleunetempératureouundegréde

pollution de l'air, et de les transmettre vers un n÷ud (ou plusieurs n÷uds) hargé

de les olle ter. Commelesréseauxde apteurs répondentà un besoinmajeurdans

de nombreux domaines, àsavoirl'observationd'un phénomènephysique,ilssont en

pleine expansion. Par exemple, dans le domaine de l'agri ulture un réseau de

ap-teurs sans l permet une meilleuremaîtrise de l'apporten eau aux plantations, en

olle tant des données telles que l'humiditédu sol,l'ensoleillementoules

pré ipita-tions.

Dupointde vueréseau,lesréseaux de apteurss'ins riventdans le ontexte des

réseaux ad ho . Néanmoins, leurs spé i ités rendent aduques la plupart de

ap-pro hes existantes pour les réseaux adho . C'est pourquoi, ledomaine des réseaux

de apteurs est un domaine de re her he très a tif. Il faut en parti ulier noter que

la problématiquemajeure danslemondedes apteurs sanslest l'énergie. Eneet,

les n÷uds apteurs ont des apa ités énergétiques relativement limitées et non

re-nouvelables. De e fait,et an de maintenir leréseau fon tionnelle plus longtemps

possible, ilest apital de dénir des mé anismes de gestion de l'énergie et/ ou des

proto oles de ommuni ation é onomes en énergie. Ainsi, l'obje tif de ette thèse

est d'étudier lesmoyens permettantd'assurer laplus grandelongévitépossibled'un

réseau de apteurs.

Auniveau des proto oles,de nombreux travauxontétéee tués. Cesre her hes

on ernentd'une partla ou he liaisonde données, plus pré isément lasous- ou he

MAC, ave le développement de proto oles d'a ès au médium de ommuni ation,

d'autrepartla ou heréseauave lesproto olesde routageetde gestionde la

topo-logie.Pluttquededénirunénièmeproto olede ommuni ation,nousavons hoisi

de développer une appro he au niveau de la ou he appli ative. Un des avantages

étantque etteappro he est omplémentaire ave lesproto oles de ommuni ation.

Le résultat de notre appro he est un algorithme omplètement distribué, exé uté

immédiats(one-hop neighbors).Notre travailsedistingue également par laprise en

omptede l'hétérogénéité des n÷udsetleur mobilité.Il aété validé théoriquement,

par le biais d'une preuve mathématique, etexpérimentalement,via des simulations

de réseaux de topologiesvariées.

Ce mémoirede thèse est organiséen deux parties. Lapremière partie est dédiée

à un état de l'art sur les réseaux de apteurs en orientant l'étude sur les problèmes

liésàl'énergie.Lase onde partieprésentelestravauxréalisésdans le adrede ette

thèse et plus parti ulièrementl'algorithme proposé pour augmenter ladurée de vie

d'un réseau de apteurs.

LapartieI omportetrois hapitres.Lepremier hapitreest onsa réàla

présen-tationde généralitéssurlesréseauxde apteurs,tellesquelades riptionde equ'est

un réseaude apteurs, sonobje tifouen oreses appli ations.Lese ond hapitrese

fo alise sur la problématique de la durée de vie d'un réseau de apteurs. Enn, le

dernier hapitre aborde les environnements d'expérimentation en dé rivant, d'une

part des plateformesmatérielles existantes ( 'est-à-dire de vrai n÷uds apteurs qui

peuvent être déployés), d'autrepart diérents outils de simulation.

Dans la partie II, nous dé rivons notre ontribution pour prolonger la durée de

vie d'unréseau de apteurs. Danslepremier hapitre de ettepartie nousexposons

le prin ipe de l'appro he proposée. Un réseau de apteurs hétérogènes est

notam-ment onsidéré an d'illustrer notre propos. L'appro he que nous proposons étant

baséesurl'équilibraged'unratiod'énergiesàtraversleréseaude apteurs, 'esttout

naturellement que nous nous inspironsdes te hniques d'équilibrage de harge dans

les systèmes distribués. L'algorithme de migration de tâ hes que nous proposons

an d'équilibrer les ratios est déni dans le hapitre qui suit. Il est introduit après

une des ription formelle du problème que l'on her he à résoudre. La onvergen e

de l'algorithme, 'est-à-dire des valeurs de ratio, est prouvée mathématiquementet

expérimentalement.L'étude de lapertinen e de l'appro he proposée est l'objet des

deux derniers hapitres. Plus pré isément, dans l'avant dernier hapitre nous nous

sommes intéressé à la vitesse de onvergen e des ratios et au gain en durée de vie

quepro urel'algorithmepourdiversestopologiesderéseauxstatiques.Nousmettons

égalementen éviden elefaitquel'algorithmepermetd'assurerl'exé ution detoutes

les tâ hes présentes dans le réseau. Le s énario onsidéré est un réseau de apteurs

multimédias utilisé à des ns de déte tion d'intrusion. Les onsidérations

énergé-tiques sontprésentées en détail: énergie onsommée lorsde l'exé ution d'unetâ he

et modèle de onsommation d'énergie des ommuni ations. Finalement, le dernier

hapitre aborde les expérimentations dans le ontexte des topologies dynamiques.

État de l'art sur

Qu'est- e qu'un réseau de apteurs

1.1 Dénition et obje tif

Un réseau de apteurs est un ensemble oopérant de n÷uds apteurs utilisant

des ommuni ations sans ldans le adre d'unréseau adho [1,2℄.Ledéploiement

des n÷uds peut être ontrlé ou non et est en général relativement dense (un très

grandnombrede n÷uds,pouvantallerjusqu'àplusieursmilliersden÷uds). Lazone

danslaquellelesn÷udssontdéployésest appeléezoned'intérêtoud'étude, ellepeut

éventuellementêtreina essibleàl'êtrehumain.Chaquen÷ud omporteun apteur

permettantd'observerunphénomèneseproduisantàproximité.Dèslorsqu'unn÷ud

déte te un phénomène d'intérêt, il produit une donnée qui doit être envoyée par

l'intermédiaire de sauts su essifs (a heminement multi-sauts) entre n÷uds voisins

vers un n÷ud olle teur (également appelé puit - sink). Le rle du n÷ud olle teur

étantde servirde pointd'a ès auxdonnées. L'utilisateurpeuta éder auxdonnées

soit dire tement, soitpar l'intermédiaire d'une liaison longue distan e, notamment

en utilisant Internet ouune liaisonsatellite. Lagure 1.1illustre es propos.

Un n÷ud apteur doit don être apable de olle ter, sérialiser et a heminer

des données de façon oopérative vers un (voire plusieurs) n÷ud(s) olle teur(s).

Du point de vue physique, il s'agit d'un dispositif de taillerelativement limitée, de

quelques entimètres (voire moins d'un entimètre), à plusieurs dizaines de

enti-mètres, soit par exemple le gabarit d'un assistant personnel (PDA) [3℄. Au niveau

é onomique, idéalement, an de pouvoir déployer des réseaux de apteurs

relative-mentdenses,le oûtunitaired'unn÷udnedevraitpasdépasserquelquesdollars.La

réalitéestbienautre,puisquelaplupartdesn÷uds apteursquisont ommer ialisés

a tuellement oûtentplusieurs dizainesde dollars,voire plusieurs entaines. Leprix

d'un n÷ud apteur est souvent un bon indi ateur de ses performan es.

S hémati-quement, un n÷ud apteur est omposé de quatre unités :

 une unité de apture (produisant une donnée);

 une unité de traitement( apa ités de al ul,sto kage);

 une unité de ommuni ation/transmission sans l;

Z

_i

r

i

Collecteur

Satellites

Internet

Gestionnaire des noeuds

Utilisateurs

Noeuds capteurs

Zone d’intéret

Portée de la grandeur

à mesurer

a

b

c

d

e

f

i

Phénomène à observer

Fig. 1.1 Des riptiond'un réseau de apteurs.

Un n÷ud peut, suivant les besoins résultants de l'appli ation visée, omporter des

unités supplémentaires à des ns de lo alisation et de mobilité. Nous reviendrons

plus en détails sur l'ar hite ture d'un n÷ud apteur ultérieurement.

Les n÷uds d'un réseau ommuniquent entre eux de façon autonome, selon une

topologie qui peut être statique ou dynamique. Comme le montre la gure 1.1, un

n÷ud

i

peut ommuniquer dire tement ave tout n÷ud se trouvant dans sa zone

de ouverture

Z

i

, dénie par son rayon de ouverture

r

i

. Le rayon de ouverture

dépendbienentendude lanaturedu médiumsans lque omporteun n÷ud.Ainsi,

les n÷uds

a

et

b

qui se trouvent dans la zone de ouverture sont  a essibles  en

un saut, 'est-à-direpar une ommuni ationdire teparlen÷ud

i

(on parlealorsde

one-hopneighbors).Tandisquetoute ommuni ationave len÷ud

c

ou

f

requiertle

passagepar des n÷udsintermédiaires,induisant une ommuni ationmulti-saut(on

parlealorsdemulti-hopneighbors).Touteslesnotionsrelativesaux ommuni ations,

àsavoirlevoisinageetlesdiérentes topologiespossiblesdu réseausontdénieslors

du déploiementdes n÷uds,à l'issue de la phase d'auto- onguration.

Le n÷ud olle teur est un n÷ud quiassure laliaisonentre le réseaude apteurs

etlastationdetraitementetd'analysedesdonnées ré oltées.Dufaitdesafon tion,

il dière d'un n÷ud apteur au niveau des performan es de ses omposants. Plus

pré isément,ilestnotammentdotéd'uneunitédetraitementpluspuissante

(pro es-seur, apa ité de sto kage), d'interfa es de ommuni ation permettant d'a heminer

lesdonnées sur de longues distan es et d'uneautonomie plus importanteauniveau

énergétique. Par exemple, dans l'arti le [4℄ qui dé rit l'ar hite ture, le déploiement

dernier ar hivelesdonnées olle téespar lesn÷uds apteurs dans unebase de

don-nées, elle- i étant répliquée en temps normal toutes les quinze minutes sur une

ma hine du laboratoire Intel lo alisé à Berkeley grâ e à une liaison satellite. Dans

ertains as, len÷ud olle teur n'est pas uniquementen harge de la entralisation

des données, mais peut également ommander les n÷uds du réseau (diusion de

requêtes de ontrle).Dans e as onparle aussi de n÷ud oordinateur.

1.2 Quelques domaines d'appli ation

L'observation et le ontrle de phénomènesphysiques est depuisfort longtemps

un besoin dans de nombreux domaines. De fait, la surveillan e de grandeurs

phy-siques telles quela température, la pressionou bienla radioa titivéest primordiale

pour beau oup d'appli ations, qu'elles soient à visée industrielle, s ientique, ou

autre. Lesréseaux de apteurs permettentde répondre àdesbesoins existants,mais

également d'envisager de nouvelles appli ations. En eet, les ara téristiques des

n÷uds apteurs, notamment leur oût é onomique relativement faible (en théorie),

l'utilisationd'un support de ommuni ationà te hnologiesans l,etsurtout

l'exis-ten e d'un large spe tre de apteurs, permettent aux réseaux de apteurs de se

développer etde se démo ratiser de plus en plus. Aussi, le hamp d'appli ationdes

réseaux de apteurs est très vaste [1, 5℄:

 l'industrie (surveillan e, suivide pro essus industriels);

 les transports (véhi ules intelligents);

 l'habitat (domotique);

 l'environnement;

 la santé;

 la défense/sé urité;

 et .

Dans la suite, nous allons donner pour quelques domaines d'appli ations des

exemplespré is d'utilisationderéseaux de apteurs. Ceux- ireètentlatrès grande

variétéde besoins auxquels un réseaude apteurs permetde répondre.Ils montrent

égalementque bienquel'ar hite ture globalesoitlamême pourtout réseaude

ap-teurs,l'appli ationviséen'induitpastoujourslesmêmes ontraintessurlesdiérents

omposants d'un n÷ud apteur. Par exemple, l'environnement de fon tionnement

peut notamment être de nature très diérente (parfois hostile à toute présen e

hu-maine), ertaines appli ations ritiquesné essitent quelalaten ede latransmission

des données soitla plus basse possible (on peut iter laprévention de atastrophes

telles que a ident himique outremblement de terre), et .

•

Appli ations bio-médi ales

Dans le domaine de la santé, l'usage de apteurs est surtout envisagé à des

ns de surveillan e des fon tions vitalesd'un patient, que e soitpour établir

un diagnosti ou ee tuer un suivi [6℄. Il s'agit typiquement de olle ter des

Système

cardiovasculaire

Système de

thermorégulation

Système

respiratoire

Réseau personnel

Réseau médical

Capteurs qui sont portés

Fig. 1.2 Réseau de apteurs pour lasurveillan e àdomi ile d'un patient.

dues, omme le ontrle d'organes à transplanter oula déte tion de tumeurs

an éreuses [7℄. Il faut aussi souligner que les premières mises en ÷uvre de

apteurs médi aux onsistaiten des apteurs isolés.L'exemple lassiqueest la

mi ro- améraqui permetd'explorer l'appareildigestif d'un maladesans avoir

re oursàla hirurgie.L'étudede lamiseen pla ede vraisréseaux de apteurs

est plus ré ente, de plus elle ible essentiellement le suivi de patients à leur

domi ile [6, 8℄. Dans [8℄, les her heurs proposent une sorte de bulle de

ap-teurs de omportant diérents niveaux autour du patient ( ertains apteurs

serontportéspar lepatient,d'autres seront dansl'environnementoùilévolue,

f. gure1.2), reliéeà un réseaumédi al distant.Ce on ept d'habitat

intelli-gentpour la santé, favorisant lemaintien àdomi ile,faitégalementl'objetde

re her hes a tives en Fran e [9℄.

La on eption d'un n÷ud apteur médi al pose des ontraintes propres et

stri tes, plus ou moins fortes suivant l'appli ation iblée [7℄. Considérons le

as d'un apteur devant être introduit dans le orps humain, il faut alors

intégrer des ontraintes telles que :

 la tailledu n÷ud etla bio- ompatibilitédes matériauxutilisés;

 la perturbation des ommuni ations sans l par les tissus et leur no ivité

(l'utilisationdes hautes fréquen es est ainsi àpros rire);

 la toxi itédes batteries;

 et .

•

Appli ations liées à l'habitat

Lasé uritédesbiensetdespersonnes(déte tiond'intrusion,surveillan ed'une

personne âgée àson domi ile,et .) onstitueune appli ation majeure.

L'amé-liorationde la qualité de servi e et du oût de systèmes tels que le hauage

etsonpendantqu'estla limatisationoreune autreopportunitéd'utilisation

des réseaux de apteurs. On voitimmédiatementl'impa tpositifde et usage

à l'heuredu ré hauement de la planète. Rien que pour les États-Unis on

•

Appli ations environnementales

L'environnementoreun hampd'appli ationtrès étendu pourlesréseaux de

apteurs. En eet, des domaines tels que l'agri ulture de pré ision, l'é ologie

ou en ore les s ien es naturelles s'appuient sur l'observation de paramètres

environnementaux omplexesetvariés.Lesréseauxde apteurs àvo ation

en-vironnementale se ara térisent en parti ulier par une zone d'intérêt souvent

géographiquementtrèsétendue etfréquemmenthostileàlaprésen e humaine.

De plus,dansle adred'uneutilisationpourlapréventionoulesuivide

atas-trophes tou hant l'environnement, qu'elles soient d'origines naturelles (telles

quefeuxdeforêt,tsunami,et .)ouhumaine(pollutionrésultantd'una ident

lorsdu transport deproduits himiques,par exemple) larobustessedu réseau

de apteurs est un fa teur prépondérant.

À titre d'exemple, plusieurs travaux [10, 11, 12℄ ont mis en éviden e la

per-tinen e de l'utilisation d'un réseau de apteurs en viti ulture. En eet, ils

ont montré en déployant des réseaux de apteurs en vraie grandeur que les

béné es étaientmultiples, lesprin ipauxétant :

 une amélioration de la produ tion au niveau rendement et qualité

notam-mentgrâ e à laprévention des phénomènes de gel;

 la préservation de l'environnement ave une meilleure maîtrisedes apports

de pesti ideet d'eau.

En s ien es naturelles divers travaux de re her hes ont étudié l'apport d'un

réseau de apteurs, que e soit pour surveiller l'a tivité d'un vol an [13℄ ou

an d'observer, sansperturber, des espè esanimalesdans leur environnement

naturel [4℄.

•

Appli ations militaires

Comme dans le as d'autres te hnologies, le domainede la défense n'est pas

étranger au développement des réseaux de apteurs. La prin ipale raison est

que eux- i orent de nouvelles possibilités dans le renseignement militaire,

permettant d'obtenir des informationsplus nes et mieux a tualisées. Parmi

lamultituded'utilisationspossibles,onpeut iterlalo alisationdesunitéssur

le hampdebataille(véhi ules, ombattants)oud'untireurisoléen

environne-ment urbain[14℄,la déte tion, la lassi ationet lesuivi d'une intrusion[15℄.

1.3 Spé i ités par rapport à un réseau ad ho

Ainsique nous l'avons soulignépré édemment, lesréseaux de apteurs utilisent

un supportde ommuni ation sans l, généralement orrélé ave une absen e

d'in-frastru ture (notamment à ause de laproblématique de préservation de l'énergie).

C'est pourquoi, un réseau de apteurs peut être vu omme faisant partie de

l'ar- hite ture réseau de type ad ho .En eet, lesréseaux ad ho sont des réseaux dits

multi-sauts, omposés d'htesautonomes ommuniquantsaumoyen deliaisonssans

l.Dans esréseaux,l'absen ed'infrastru tureestpalliéeparlefaitque haquehte

Les réseaux de apteurs font don appel à des te hniques développées pour les

réseaux ad ho . Cependant, du fait des ara téristiques intrinsèques d'un n÷ud

apteur, la plupart des algorithmes et proto oles dénis dans le adre des réseaux

ad ho ne sont pas utilisables dire tement. En eet, si on ompare les réseaux de

apteurs aux réseaux adho , onfait les onstatations suivantes :

 le besoin de oopération entre les n÷uds est primordial dans les réseaux de

apteurs (auto-organisation),ande réduire la onsommationd'énergieet

at-teindrel'obje tif du réseau;

 la apa ité énergétique d'un n÷ud apteur est très nettement plus limitée,

d'où lané essité d'unebonne gestionde la onsommationénergétique;

 lesréseaux de apteurs omportent généralement beau oup plus de n÷uds et

eux- i sont déployésde manièretrès dense;

 les apa ités de traitement ( al ul et sto kage) d'un n÷ud apteur sont sans

ommunemesure(trèsfaibles) omparéesà ellesd'unhted'unréseauadho ;

 dans un réseau de apteurs les hangements de topologie sont très fréquents,

ar les n÷uds sont plus sujets à défaillan e.De plus, des n÷uds peuvent être

ajoutés auréseau lorsd'un redéploiement;

 au niveau des ommuni ations, les réseaux de apteurs utilisent surtout des

ommuni ations par diusion (broad ast) alors que les réseaux ad ho ont

plus re ours aux ommuni ations point à point (uni ast). D'ailleurs, le très

grand nombre de n÷uds et l'absen e de ontrle lors du déploiement font

souvent qu'un n÷ud apteur n'est pas identié de manière absolue dans le

réseau (absen e d'identiantglobal).

Les ontraintes à prendre en ompte dans un réseau de apteurs ne sont don pas

du même ordre que dans le as d'un réseau ad ho , d'où le besoin de nouveaux

algorithmes etproto oles.

1.4 Dés et ontraintes

Lorsque l'on her he à dénir de nouveaux algorithmes et / ouproto oles pour

réseauxde apteurs,ilfauttenir omptede plusieurs ontraintes.Nousen évoquons

i-aprèsquelques-unes [1℄.

1.4.1 Ar hite ture d'un n÷ud apteur

S hématiquement,quellequesoitl'appli ation onsidérée,unn÷ud apteur

om-porte quatre unités distin tes, à savoir:

 une unité de apture;

 une unité de traitement;

 une unité de ommuni ation (émissionetré eption);

 une unité fournissant l'énergie.

Enplus de es quatre omposantes etpour répondreàdes besoinsspé iques

supplémen-en parti ulier être de type GPS (Global Positioning System).Néanmoins, pour des

raisonsde oût(notammenténergétique)ilestsouventrempla éparun proto olede

lo alisations'appuyantsurunouplusieursn÷udsservantde balise(bea onnode(s)).

Il existe également des apteurs disposant d'un système leur permettant de bouger

dans la zoned'intérêt. Lagure 1.3présenteles diérentes unités / omposantes et

leurs intera tions.

Processeur

Unité de stockage

Emetteur/Récepteur

Capteur

CAN

Système de localisation

Unité de transmission

Unité de traitement

Unité de capture

Mobilité

Composante optionnelle

Générateur

d’énergie

U N I T E D E C O N T R O L E / S O U R C E D ’ E N E R G I E (BATTERIE)

Fig. 1.3Ar hite ture d'un n÷ud apteur

•

Unité de apture

C'est etteunitéquivaengendrerdesdonnéeslorsdel'observationd'un

phéno-mèned'intérêt.Ellese omposededeuxsous-unités:le apteuretun

onvertis-seur analogique/numérique.Le onvertisseur permetdetransformer lamesure

fournie par le apteur en un signalnumérique quipeutêtre traitée par l'unité

de traitement.

•

Unité de traitement

L'unité de traitement fournit les apa ités de al ul et de sto kage du n÷ud

apteur. Pour e faire, elle exé ute un système d'exploitation spé ique tel

que TinyOS. Naturellement,l'unitéde traitementest en hargede l'exé ution

de tout algorithme / proto ole, et plus parti ulièrement des proto oles de

ommuni ation.Parmilesautrestâ hesquepeutassurerl'unitédetraitement,

on peut iter la fusionde données, voire dans ertains as leur analyse.

À titre d'exemple, voi i toutd'abord les ara téristiquesdu n÷ud apteur de

type MICA2, un COTS Mote, ar onstruit à partir de Commer ial O The

Shelf omponents. Celui- i appartient à la famille des Berkeley Motes : des

n÷uds apteurs résultantsd'un projetde re her he mené ausein de ette

uni-versité. Il omporte un mi ro ontrolleur8 bits ATMegaé128L fon tionnant à

8MHzetdisposed'unemémoireashprogrammablede128Ko,ainsiqued'une

SRAMetd'uneEEPROM,toutesdeux d'unetaillede4Ko.Ctésto kagedes

es ara téristiques. À l'opposé, une plateforme telle que la Stargate SPB400

[17℄ ore des performan es supérieures : pro esseur Intel PXA255 Xs ale à

400 MHz, SDRAM et mémoire ash respe tivement de 64 et 32 Mo. Bien

qu'utilisable ommen÷ud apteur, en parti ulierpour obtenirdesdonnées de

type multimédia (des images) dans le adre d'appli ation de type réseau de

surveillan e. Le n÷ud Stargate est plutt prévu par son fabri ant pour jouer

le rle de n÷ud olle teur. MICA2 et Stargate SPB400 sont tout deux des

produits de la so iété Crossbow Te hnology [18℄.

•

Unité de ommuni ation

Les ommuni ationsentre n÷uds apteurs (émissionetré eption) onstituent

l'élément lé d'unréseau de apteurs, du fait de sanature ollaborative.Elles

se font par l'intermédiaire d'un support (ou médium)de ommuni ation sans

l qui peut être de nature optique ( omme dans les n÷uds Smart Dust),

in-frarouge ou radiofréquen iel (type WiFi). L'optique est robuste par rapport

aux problèmes d'interféren es éle triques mais suppose que haque n÷udsoit

en vue dire te ave ses voisins (pas d'obsta le), e qui est évidemment une

limitation très forte. L'infrarouge est moins oûteux, de on eption aisée et

est intégré dansde nombreux équipements (PDA, téléphone portable,

ordina-teurs), mais soure du même problème que l'optique.

Lessupports detyperadiofréquen e(RF)sontlesplususitésen raisonde leur

très large diusion (WiFi, Bluetooth, GSM, et .), orant des bandes de

fré-quen esde puissan esvariées(bandes ISMtellesque433MHz,2,4GHz,et .).

De plus, les unités de ommuni ation utilisant lesondes radio béné ient des

avan ées dans les ir uits d'émission-ré eption RF (niveau d'intégration par

exemple).Laprin ipalelimitationapouroriginela onsommationénergétique.

En eet, le rayon de la zone de ouverture est dire tement lié à la puissan e

d'émissiondusignal,orl'énergie onsomméeestelle-mêmeproportionnelleàla

puissan e dusignal.Lasolutionseraitd'augmenter lataillede l'antenne,mais

l'en ombrementd'un n÷ud apteur devantêtre réduit ela n'est pas possible.

Lemeilleur ompromissembleoertpar l'ultrahaute fréquen e(ou UHF,

Ul-tra high frequen y en anglais) qui orrespond à la bande de radiofréquen es

omprises entre 300 MHz et3 GHz.

•

Unité fournissant l'énergie

L'alimentation éle trique est assurée par une batterie qui peut être

simple-ment une pile, par exemple AAA, ou en ore une batterie Li-Ion. Sa apa ité

dépend d'une part de son type, d'autre part de sa taille. Évidemment, es

deux ontraintes dépendentdes ara téristiquesdu n÷ud.L'énergie étant

dis-ponible en quantité limitée, 'est une ressour e qui doit être utilisée à bon

es ient. Aussi, l'aspe t onsommation énergétique doit être appréhendé aux

niveaux matériel et logi iel (algorithmes et proto oles) d'un n÷ud apteur.

1.4.2 Toléran e aux pannes et passage à l'é helle

Desn÷uds apteurspeuventtomberenpannepourdiversesraisons:destru tion

dueàl'environnement,problèmematérieloulogi iel,énergieépuisée.Ilestdon lair

quequelquesn÷udsdéfaillantsne devraientpas ae terlefon tionnementglobaldu

réseau,d'où lanotionde toléran eauxpannesd'unréseaude apteurs. Garantirun

ertain niveau de toléran e aux pannes suppose que et aspe t soitpris en ompte

dans lesalgorithmes etproto oles.

Lepassageàl'é helleest un autrepointimportantdans lesréseauxde apteurs,

ar le nombre de n÷uds peut aller de quelques dizainesà plusieurs entaines, voire

milliers suivant l'appli ation visée. La robustesse par rapportau nombre de n÷uds

d'un algorithme oud'un proto ole est don une ara téristique très re her hée. Un

algorithme sera d'autant plusutilisé qu'ilsera peu sensibleàl'évolutiondu nombre

de n÷uds du réseau.

1.4.3 Topologie d'un réseau de apteurs

La topologie asso iée à la formation d'un réseau de apteurs est souvent

indé-terminée, évoluantau ours du temps.Ellepeut être vue ommelerésultatde trois

phases :

1. Déploiement des n÷uds apteurs

Dans ette phase, les n÷uds sont déployés à travers la zone d'intérêt soit de

façon ontrlée, soit aléatoirement (dispersion depuis un avion par exemple).

Le pla ement manuel permet un ontrle relatifde l'organisation des n÷uds,

mais n'est possible que pour des réseaux de taillelimitée etuniquement dans

le adre d'un environnement de fon tionnement non hostile.

2. Post-déploiement, fon tionnement normal du réseau

Après déploiement,latopologiepeutêtreamenéeàévolueren raisonde

han-gementspropres à haque n÷ud, tels que :

 modi ation de la position (en parti ulier sile n÷ud est mobile);

 perturbation des ommuni ations(obsta le, interféren es, et .);

 épuisementde l'énergie;

 défaillan e.

3. Redéploiement, ajout de n÷uds apteurs

Le réseau de apteurs doit être apable d'intégrer, aisément, de nouveaux

n÷uds.Undesbutsdel'ajoutden÷udspeutêtredepallierladéfaillan ed'un

trop grand nombre de n÷uds. Entoutétat de ause, leréseaudoit pouvoirse

réorganisé rapidement etave un oût énergétique limité.

Remarquons que dans un réseaude apteurs onstitué de n÷uds disposant tous

de la même interfa e de ommuni ation sans l (rayons de ouverture identiques),

symé-(a) (b)

Fig. 1.4 Réseau de apteur etgraphe de ommuni ation asso ié.

1.5 Ar hite ture de ommuni ation

Akyildiz et al. [1, 19℄ ont proposé qu'à l'image de n'importe quel autre type de

réseauet ommelemontre lagure 1.5, lesalgorithmes etproto olesmisen ÷uvre

danslesréseauxde apteurssoientstru turéssuivantlemodèleISO-OSI(Open

Sys-tem Inter onne t).Toutefois, leur proposition induit le passage d'un modèle plan à

un modèle tridimensionnel. Les plans supplémentaires rendent ompte de la

distri-butionde ontraintes tellesquela onsommationénergétiquesur toutesles ou hes.

Unautremodèled'ar hite ture pour réseauxde apteurs sans lest elui dénommé

Zigbee [20, 21℄ et qui s'appuie sur la norme IEEE 802.15.4 que nous aborderons

plus tard. À proprement parler, Zigbee est le nom d'un onsortium [22℄ à l'image

de WiFi pour les normes802.11. D'autres modèles, omme elui proposé dans [23℄,

s'éloignentplus nettement du modèleOSI lassique.

Danslasuite,nousallonssurtoutnousintéresserauxtrois ou heslesplusbasses,

orientées ommuni ations. Il est à souligner qu'au niveau de la ou he appli ation

on trouve essentiellement des proto oles permettant à l'utilisateur d'interagir ave

les n÷uds du réseau de apteurs, en parti ulier par le le biais de requêtes. Enn,

en e qui on erne la ou he transport, de nouveaux proto oles sont né essaires ar

les proto oles onventionnels tels que TCP et UDP ne sont pas très adaptés aux

réseaux de apteurs. Parmi les proto oles de transport développés pour assurer un

transport ableet peu oûteuxen énergieon peut iter ESRT [24℄ etk-RTP [25℄.

Couche Application

Couche Transport

Couche Liaison de Données

Couche Physique

Couche Réseau

Plan de gestion de l’Energie

Plan de gestion des Taches

Plan de gestion de la Mobilité

Plan de coordination

1.5.1 Cou he physique

La ou he physique est en harge de lagestion des transmissions radio, pour e

faire elledénitla modulationdes ondes radioéle triques (diverses fréquen esradio

sontdisponibles,permettantderépondreàdiérentsniveaux d'exigen een

parti u-lierpour e qui estde la propagationdesondes), l'en odageet lasignalisationde la

transmission.Danslesproto olesréseauxsansla tuels(802.11a, 802.11b,802.11g,

Bluetooth, et .), la ou he physique ore deux types de transmission à modulation

de fréquen e asso iés àune modulationde phase. Les te hniques de transmission à

modulationdefréquen es'appuientsurlate hnique dited'étalementdespe tre.

La te hnique d'étalement de spe tre, d'origine militaire, s'est imposée du fait

de ses nombreux avantages. Il s'agit notamment d'une limitation des problèmes

dûs aux interféren es, la possibilité de faire ohabiter dans une même bande de

fréquen es plusieurstransmissions(partage de labandepassante), larésistan eaux

inter eptions,et . On distingue deux te hniques d'étalementde spe tre, àsavoir :

 d'une part la te hnique à saut de fréquen e, dénotée FHSS, pour Frequen y

Hopping Spread Spe trum.Celle- i onsisteà dé ouperlabandede fréquen es

en anauxde 1MHz,puisàtransmettreen hangeantde fréquen ed'émission

périodiquement(toutes les300 à 400 ms) suivant une séquen e préétablie;

 d'autre partla te hnique à séquen e dire te,dite DSSS, pour Dire t Sequen e

Spread Spe trum. Cette méthode divise également la bande de fréquen es en

anaux, mais beau oup plus larges (d'une largeur de 22 MHz en 802.11). De

plus il n'y a pas de saut lors de la transmission des données. Comme les

a-naux se hevau hent,pour ompenserlebruitdes anauxvoisins,onare ours

à la te hnique du hipping. Elle onsiste à rempla er haque bit par une

sé-quen e Barker de bits, an de pouvoir ee tuer des ontrles d'erreurs. Par

exemple, la norme802.11 dénit une séquen e de 11bits (10110111000)pour

oder un 1 etson omplémentpour représenter un 0.

Finalement, le débit en bits par se onde d'une transmission va résulter de la

te hnique de modulationde phase hoisie. Plusieurs te hniques sont à disposition,

orant des débits plus ou moins élevés:

 BPSK (Binary Phase-Shift Keying) -en odaged'un bità haque hangement

de phase, e dernier onsistant en une rotationde

180

◦

;

 QPSK (Quadrature PSK) - même type d'en odage, mais l'utilisation d'une

série dequatrerotationsde

90

◦

permetd'obtenirun débitdeuxfoisplusélevé.

And'améliorerlesdébits,diversesoptimisationsontété intégréesdansles

dié-rentes normes.Onpeutnoteren802.11blamiseen÷uvredelaméthoded'en odage

CCK(Complementary CodeKeying)àlapla edes séquen esBaker.L'utilisationen

802.11ade labandede fréquen esdes5GHz,orant8 anauxdistin ts,faitappelà

late hniquedemodulationdefréquen editeOFDM(OrthogonalFrequen yDivision

Multiplexing).Celle- itirepartiedes anauxenenvoyantdesdonnéesenparallèlesur

plusieurs anaux.Lanorme 802.11gutiliseégalementlate hnique OFDM, mais est

WPAN (Wireless Personal Area Network),i.e.une normeIEEE 802.15.x, ommele

Bluetooth (IEEE 802.15.1). Comparé aux réseaux sans l de type WLAN (normes

802.11x), un WPAN se ara térise en parti ulier par une portée des

ommuni a-tions moindre.Lanorme IEEE802.15.4[26℄a été déniepour répondre à ertaines

ara téristiques des réseaux de apteurs : en général un faible débit et une faible

onsommation éle trique. Au niveau de la ou he physique, 27 anaux sont

dispo-nibles, répartisdans trois bandesde fréquen es. Ainsique lemontre le tableau 1.1,

elles orent respe tivement des débits de 20 Kbps,40 Kbps et250 Kbps.

PHY Bande Nb de Modulation Débits

de fréquen es anaux fréquen e phase (Kbps)

868 MHz 868,0 à 868,6MHz 1 DSSS BPSK 20

915 MHz 902,0 à 928,0MHz 10 DSSS BPSK 40

2,4 GHz 2,4à 2,4835GHz 16 DSSS O-QPSK 250

Tab. 1.1 Norme IEEE 802.15.4- Cara téristiques des transmissions.

Si on ompare sur quelques ritères la norme 802.15.4 aux normes 802.11b et

802.15.1( f.tableau1.2),on onstate qu'elleest lairementadaptéeàlaplupartdes

réseauxde apteurs.Elleest parti ulièrementprévuepourlesréseauxdetrèsgrande

taille, omportants plusieurs milliers de n÷uds. Bien entendu, il est probable que

dans un réseaude apteurs lesstandardsZigbee etWiFisoient amenésà ohabiter.

A priori, il semblerait ne pas y avoir de problème parti ulier, à ondition de faire

attention au hoix des fréquen es utilisées [27℄.

Norme Zigbee WiFi Bluetooth

IEEE 802.15.4 802.11b 802.15.1

Portée (mètres) 1 à100 1 à100 1 à10

Durée de vie (jours) 100 à 1000 0,5à 5 1à 7

Nombre de n÷uds > 64000 32 7

Débits (Kbps) 20à 250 11000 720

Tab. 1.2 Comparaisondes normes 802.15.4, 802.11bet 802.15.1.

1.5.2 Cou he liaison de données

La ou he liaison de données permet d'assurer la abilité des ommuni ations,

qu'elles soientpointà point oumultipoints.Cela se fait par lebiais de mé anismes

tels que le ontrle d'a ès ausupport / médium de ommuni ation ou le ontrle

sous- la ou he LLC(Logi alLinkControl),standardiséedanslanormeIEEE802.2,

ommuneàtouteslesnormesdéniesultérieurement(802.11x,802.15.x).C'est

elle quiétablie les onnexions logiques entre lesn÷uds;

 la ou he MAC (Medium A ess Control), qui répond à l'enjeu majeur qu'est

la désignation du n÷ud qui ale droit d'émettre àun instant donné.

Idéalement,un proto oleMACdoitpermettreun a ès équitableaumédiumde

ommuni ation.Celasigniequesiunseuln÷udveuttransmettre,ildevraitpouvoir

disposer de toute la bande passante. Parmi les autres ara téristiques re her hées

on a la simpli itéet l'absen e de syn hronisation globale. De nombreux proto oles

MACsont disponibles.On peut tout d'abord les lasser suivantletypede ontrle,

àsavoir entraliséoudistribué.Naturellement,dansle adred'unréseaude apteurs

une appro he distribuée est à privilégier.Ensuite,la lassi ation peut être ranée

suivant la manièredontl'a ès au médiumest géré :

 a ès ontrlé ougaranti ( ontention-free proto ols);

 a ès aléatoire oupar ompétition( ontention-based proto ols)

Certains proto oles entralisés peuvent être vus omme une méthode hybride. Il

s'agit notammentd'appro hes par passagede jeton etde réservation à lademande.

•

Proto oles à a ès ontrlé

Cette famille ontient des proto oles orant un a ès par segmentation ou

multiplexageaumédiumde ommuni ation.Plus pré isément,l'a èsest

par-titionné en autant de parties que de n÷uds. Diérentes te hniques de

multi-plexage ont été dénies, ha une orrespondant à une méthode de

segmenta-tion. La segmentation peut se fairepar :

 le temps- multiplexageTDMA (Time Division Multiple A ess);

 lafréquen e - multiplexage FDMA (Frequen e Division Multiple A ess);

 ode - multiplexage CDMA (Code DivisionMultiple A ess);

 longueur d'onde -WDMA (Wavelength DivisionMultiple A ess).

Certaines méthodes hybrides asso ient CDMA etTDMA ouFDMA.

Le prin ipe du TDMA onsiste en une allo ation temporelle périodique du

anal à haque n÷ud du réseau. Ainsi, haque n÷ud dispose de latotalité de

la bande passante pendant un temps très ourt. Pour e qui est du FDMA,

la te hnique la plus an ienne, elle dé oupe la bande de fréquen es en autant

de sous-bandes (d'interse tion nulle) que de n÷uds. LeWDMA reprend ette

appro he, puisque 'est le pendant du FDMA dans le domaine optique. La

dernière te hnique,appeléeCDMA,estlaplusré ente. Elleestbaséesur

l'éta-lement du spe tre (utilisationde DSSS) : la largeur de l'o upation spe trale

du signal est multipliée par un gain de odage. Cet élargissement améliore

la ré eption du signal, autorisant sous ertaines onditions la ohabitation

de plusieurs signaux sur la même bande de fréquen es. Le partage de l'a ès

au médium de ommuni ation se fait don suivant un pro édé de odage : à

haque n÷ud orrespond un ode (ou lé) à l'aide duquel le messageest odé

Parmi lesin onvénientspossiblesdes proto oles par a ès ontrlé ily le

pro-blème de savoir qui dénit l'allo ation et le fait d'avoir parfois besoin de

syn hronisations. Cependant, l'appro he CDMA présente des avantages

(ré-sistan eaux interféren es, faible onsommation,et .)qui font qu'elle est

rela-tivement en vogue dans les systèmes de téléphonie type GSM et UMTS. De

fait, les systèmes de téléphonie a tuels reposent sur des stations de base qui

assurent la syn hronisation des n÷uds (ae tation des odes). Dans le adre

desréseauxadho ,l'absen ed'infrastru ture,ladynami itéde latopologiedu

réseauetsonauto-organisationaudéploiementrendentl'utilisationduCDMA

nettement plus problématique.

•

Proto oles à a ès aléatoire

Dansun proto ole àa ès aléatoire,un n÷uddoit pouvoir envoyer un paquet

de données en disposant omplètement du anal et sans oordination

préa-lableave lesautresn÷uds.L'absen e de oordinationaboutit àlapossibilité

d'avoir des ollisions (n÷uds émettants en même temps). Résoudre e

pro-blème né essite de savoir d'une part déte ter une ollision, d'autre part de

savoirla gérer.

Historiquement, le premier proto ole à a ès aléatoire est ALOHA. Dans e

proto ole, tout n÷ud ayant pro édé à une émission(d'un paquet de données)

qui s'est traduite par une ollision doit attendre un temps tiré aléatoirement

avant de réémettre le paquet on erné. Cette gestion sommaire ne permet

évidemment pas d'obtenir des performan es satisfaisantes sur des réseaux de

grande taille. Une première amélioration, dénommée CSMA (pour Carrier

SenseMultiple A ess),aétél'ajoutavanttouteémissiond'unephased'é oute

dusupportde ommuni ationpoursavoirsiilestlibre.Celapermetderéduire

les ollisions,mais pas elles provenant de n÷uds émettanten même temps.

Aussi, pour que la gestion des ollisions ne soit plus prise en harge par une

ou he de niveau supérieur, ommedansALOHA,un mé anismede déte tion

de ollision a été ajouté. Le résultat est un proto ole de type CSMA/CD

(Collision Dete tion), le plus onnu d'entre eux étant le proto ole Ethernet

(IEEE 802.3). Néanmoins, le CSMA/CD suppose qu'un n÷ud puisse é outer

etémettreen mêmetemps, ordansles réseauxsans l ela n'est pas possible.

D'autre part, un n÷ud qui é oute peut ne pas apter des transmissions que

reçoit un de ses voisins (problème du n÷ud a hé, f. gure 1.6). Finalement,

l'adaptationdu CSMA/CDaux ontraintes dusans laaboutiauCSMA/CA

(CollisionAvoidan e).Commeson noml'indique, etypede proto ole intègre

des mé anismes qui her hent à éviter les ollisions:

 a ès au médiumet reprisesur ollisionutilisantdes temporisateurs;

 sé urisation des ommuni ations point à point par a quittement positif et

réservation optionnelledu anal par une poignéede main  avant haque

a

b

c

Fig. 1.6Problèmedu n÷ud a hé :

a

ne saitpas que

b

peut ommuniquer ave

c

,

et ré iproquement.

Diversproto olesMAContétéproposéspourlesréseauxadho ,dontonrappelle

que lesréseaux de apteurs peuvent être vus ommeun as parti ulier. Néanmoins,

les spé i ités d'unréseau de apteurs, évoquées pré édemment dans lase tion1.3,

font que la dénition d'un proto ole MAC adéquat est un domaine de re her he

très a tif. En eet, les proto oles MAC pour réseaux ad ho , en parti ulier pour

les MANETs (Mobile Ad ho NETworks) qui sont les plus pro hes des réseaux de

apteurs, se ara térisent par :

 la qualité de servi e (QoS) omme prin ipal obje tif (la garantie d'un débit

minimal pour les appli ations);

 la prise en ompte de la onsommation énergétique omme n'étant que

se- ondaire, puisqu'a priori la sour e d'énergie d'un n÷ud (ordinateur portable,

PDA, et .) peut être rempla ée;

 la gestionde réseaux de taillemoindre;

 et .

Dansle as d'un réseaude apteurs,leproto ole MACdoit mettrel'a ent sur:

 la maîtrisede l'énergie onsommée;

 la toléran e aux pannessu essives à la défaillan ede ertains n÷uds;

 un a ès équitableet e a e de tout n÷ud ausupport de ommuni ation.

Pour e faire, ertains proto oles utilisent des modes de fon tionnement é onomes

en énergie tels que l'alternan e de périodes de veille et d'a tivité, re ourant à un

s héma de type TDMA. Une autre appro he est l'usage de l'a quittement négatif

(s'appuyant sur des temporisateurs) pour déte ter leserreurs de transmission.

Danslesarti lesde synthèse [28℄et[29℄, lesauteursprésententdivers proto oles

MACpourréseauxde apteurs.Lespremiersproto olestelsqueS-MAC[30℄étaient

surtoutorientés onservationd'énergie.Parlasuite, ommeletempsderéponsed'un

réseau de apteurs est apitaldans ertainesappli ations, e futlemeilleur

ompro-misentre énergie onsomméeetle oupledébit/laten edes ommuni ations[31℄qui

était re her hé. Nousverrons plus en détails ertains proto oles MAC pour réseaux

de apteurs dans le hapitresuivant,oùl'onétudiera lessolutionsproposées à

1.5.3 Cou he réseau

•

Auto-organisation

L'absen e d'infrastru ture (préservation de l'énergie) et le déploiement (voire

redéploiement)aléatoireden÷uds apteursposentleproblèmede la

onstru -tionde latopologieduréseauetde son maintien dansletemps.D'autantplus

sileréseauestdenseet omportebeau oupden÷uds.Lesn÷udsdoiventdon

s'organiser pour faireémerger un s héma de oopérationpertinent etadéquat

pour atteindre l'obje tif du réseau. Cette organisation, résultat de la phase

d'auto-organisation, doit être produite sans au un ontrle, ni onnaissan e

préalable.L'auto-organisationpeutnotamment onsisterà réerunetopologie

réseau,àformerdes lustersden÷udsouen oreàae terunidentiantunique

à haque n÷ud.L'obje tif de l'auto-organisationdans lesréseaux de apteurs

est d'é onomiser de l'énergie. Bien entendu, la phase d'auto-organisation a

elle-même un oût énergétique, mais le béné e énergétique attendu doit en

prin ipe largement ompenser ettesur onsommation.

Laformationde lusters onsisteà partitionnerun réseauen onstruisantdes

groupes de n÷uds géographiquement pro hes, ave ha un àsa tête un n÷ud

 hef  ( lusterhead). On distingue d'une part des algorithmes de formation

a tifs, d'autre part des algorithmes passifs. Dans le premier as, les lusters

sont onstruits en é hangeant des informationsspé iques entre n÷uds, alors

que dans lese ond as 'est le tra réseau quiest utilisé.Divers algorithmes

de formation de lusters ont été proposés, ont peut iter ACE [32℄ ou en ore

[33℄. La stru turation en lusters et le routage sont souvent liés. C'est par

exemple le as de l'algorithme de routage LEACH [34℄. Celui- i s'appuie sur

l'organisation hiérar hique asso iée à la stru turation en lusters pour

mini-miser les ommuni ations. En eet, les n÷uds d'un même luster routent les

données vers le hef,à hargepour e dernierde lestransmettreaun÷ud

ol-le teur.Commeun hefde lusterva onsommerplus d'énergie quelesautres

n÷uds, les auteurs proposent que tout n÷ud devienne à un moment ou à un

autre responsable du luster. Le hoix du n÷ud hef se fait alors de manière

probabiliste,ave laprobabilité asso iée à haque n÷ud quiaugmente ave le

temps passé depuisla dernière fois oùil a été élu hef du luster.

Pour e quiest de l'auto-adressage,de nombreuxalgorithmesont été

dévelop-pés, eux- i peuvent être lassés en deux atégories [35℄. La diéren e entre

lesdeux atégories est l'utilisationounon d'une table d'allo ationd'adresses.

Lesalgorithmes n'utilisant pas de tabled'allo ation sontdé entralisés, e qui

est une ara téristiquetrès intéressantedans le adre desréseaux de apteurs.

Le prin ipe de ette atégorie d'algorithme est de générer aléatoirement une

adresse, puisde déte terd'éventuelles ollisionsd'adresses. Ladiéren eentre

les algorithmes se situe alors au niveau du mé anisme de déte tion des

olli-sions. Néanmoins, il faut noter que dans beau oup de réseaux de apteurs il

•

Routage

Danstoutréseau,l'a heminementdesdonnéesd'unpointàunautresefaitpar

l'intermédiaired'un algorithmede routage. L'obje tifde et algorithmeest de

déterminer un hemin optimal par rapport à un ritère de performan e bien

pré is(parexemple,lalongueurmoyennedesroutes).Pour efaire,ildoittenir

ompte des ara téristiques du réseau onsidéré et plus parti ulièrement des

ontraintesinhérentesàlanaturedu médiumde ommuni ation.Parexemple,

dans les réseaux sans l la portée et les interféren es sont des ontraintes de

tout premier plan.

Beau oupd'algorithmes/proto olesderoutageontétéproposésdansle adre

desréseauxadho .Ceux- ipeuventêtre lasséssuivantdiérents ritères[36℄:

nature des informationsde routage é hangées, appro he entralisée ou

distri-buée, quand et omment les routes sont al ulées, et . Ainsi, si on onsidère

le dernier ritère(le al ul des routes),ondistingue :

 leroutagepro-a tif,qui onsisteà al uleràl'avan elesroutesené hangeant

périodiquement des paquets de ontrle. Dans e as, à haque n÷ud est

asso iée une table de routage;

 le routage réa tif, ara térisé par le al ul à la demande des routes, e qui

permet de minimiserle tra réseau.

Sion omparelesdeux appro hes, on onstate queleroutagepro-a tifpermet

d'avoir des routes immédiatement disponibles, mais au prix d'un tra de

ontrle important.Dansle as du routage réa tif ladé ouverte des routes se

faitsouventparinondation( haque n÷uddiuselesinformationsderoutageà

toussesvoisins).Notonsqu'ilestégalementpossibledediuserlesdonnéespar

inondation, on parle alors de routage par inondation. Néanmoins, omme le

tra réseauasso iéest très important,ongâ he beau oup de bandepassante

et d'énergie.Enn, routages pro-a tif etréa tif ne sontpas très adaptés àdes

réseaux de très grande taille (le tra de ontrle devient trop important de

même que lestables de routage). Aussi, dans e ontexte un routagehybride,

s'appuyant sur une stru turation en lusters du réseau, est souvent adopté :

le routage est pro-a tif au sein des lusters, tandis que le routage est réa tif

entre les lusters.

Dans le adre des réseaux de apteurs, les spé i ités de es derniers doivent

être prisesen omptedans le routage:

 envoien ontinuou àla demande (requête);

 apa ité de sto kage eten énergie limitées;

 adressage problématique des n÷uds.

Lesarti les[37℄ et[38℄fontun étatdel'arttrès ompletdes te hniquesde

rou-tagepourlesréseauxde apteurs.Ils'agitdete hniquesspé iquesoudénies

pourlesréseauxadho ,notammentmobiles,etrépondantaux ontraintes des

réseauxde apteurs.Toutdeuxdistinguent4famillesdeproto olesderoutage:

3. routage géographique;

4. routage orientéuxde données et qualité de servi e.

Ilfaut ependantsoulignerque ertainsraresproto olesnesontpas lasséspar

lesdeux arti lesdans lamêmefamille.Enn, dans[37℄ ertainsdes proto oles

delaquatrièmefamillepeuventêtreégalementvus ommefaisantpartied'une

des trois famillespré édentes.

Dans le routage orienté données ou à plat, les n÷uds apteurs répondent à

des requêtesde demande de données.Le réseaude apteurs peut don être vu

ommeunebasededonnées.Pendantl'envoidelarequête,desinformationssur

le heminsuivi sont sto kées dans les n÷uds.Au un n'adressage n'est utilisé,

en revan he les données sont dé ritespar des attributs, de sorte que seuls les

n÷udspossédantladonnéerequiserépondent.Parmilesnombreuxalgorithmes

de ette familleon peut nommerSPIN [39℄ etDire ted Diusion[40℄.

Leroutagehiérar hique, quionlerappellerepose sur lastru turationen

lus-ters, est une solution au dé que représente le passage à l'é helle. De fait,

l'utilisation de lusters permet de réduire la onsommation énergétique et le

nombredepaquetsdedonnées ir ulantdansleréseau.D'une partles

ommu-ni ationssontdansunpremiertempslimitéesà haque luster,puisquetoutes

les données sont d'abord envoyées au hef du luster. D'autre part, elui- i

va dans un se ond temps réduire les paquets en agrégeant et fusionnant les

données, avant de les transmettre. LEACH [34℄, déjà évoqué pré édemment,

PEGASIS ouTEEN [41℄etAPTEEN [42℄sontdes exemplesd'algorithmesde

routagede e type.

Leroutagegéographiques'appuieluisurl'informationdelo alisationde haque

n÷ud.Pluspré isément,àpartirde etyped'informationilestpossiblede

al- ulerladistan e entre deux n÷udset don d'estimer le oûténergétique de la

ommuni ation asso iée. L'obje tif du routageest alorsde trouverlemeilleur

hemin,ausensdel'énergie onsommée,entre len÷udsour eetladestination.

L'algorithme de routage géographique GAF [43℄ (Geographi Adaptive

Fide-lety),quiaétéproposépour lesréseauxadho mobiles(MANETs),utilisepar

exemple laposition GPS.

Dans ladernière famillede méthodes de routage, elles orientées uxde

don-nées et qualité de servi e, on trouve des appro hes modélisant le routage

omme un problème de ot ou her hant à obtenir le meilleur ompromis

La problématique de la durée

de vie d'un réseau de apteurs

2.1 Introdu tion

Les réseaux de apteurs sont ara térisés par l'absen e d'infrastru ture globale,

haque n÷ud (éventuellement mobile) ayant une provision d'énergie limitée sans

au une possibilité de disposer de ressour es énergétiques supplémentaires.Aussi, la

durée de vie d'un n÷ud est fortement liéeà la manière dont l'énergie est exploitée

par ses omposants logi iels et matériels, i.e. omment ette énergie est dépensée.

Une utilisation raisonnée et adéquate de l'énergie est don ru iale pour

mainte-nir en a tivité aussi longtemps que possible haque n÷ud apteur et par voie de

onséquen e le réseau de apteurs. Comme l'exploitation et la gestion de l'énergie

dans lesréseauxde apteurs,qu'elle soitauniveaudes algorithmes/proto olesmis

en ÷uvre oudes omposantsphysiques (pro esseur, mémoire,et .), est une

problé-matique majeur, elle fait l'objet de nombreux travaux de re her hes. L'obje tif de

toutes es études est d'augmenter la durée de vie des n÷uds onstituant le réseau

onsidéré.

L'énergie n'est pas onsommée de façon uniforme dans le temps, dans le sens

où les n÷uds d'un réseau ne disposent pas tous de la même quantité d'énergie à

un instant donné. De fait, d'une part les n÷uds sont généralement hétérogènes et

d'autre part un n÷ud peut tenir diérents rles durant son existen e au sein du

réseau. Lors du déploiement, la répartition aléatoire des n÷uds dans l'espa e fait

que ertains n÷uds sont plus a tifs que d'autres, d'où une onsommation variant

d'un n÷udàunautre.Lesdiérentsparamètresd'unréseaude apteurs:topologie,

empla ementetrles de haque n÷ud,le mode de routagedes données, lastratégie

d'a ès aumédiumde ommuni ation,et .,onttousunimpa tsur la onsommation

de l'énergie. Il est don indispensable de disposer pour haque paramètre d'une

appro he permettantde maîtriserla onsommation énergétique.

Dans e hapitre, nous allons tout d'abord présenter quelques dénitions

quelquesappro hes,àdiérentsniveauxdumodèleOSI,optimisantla onsommation énergétique.

2.2 La notion de durée de vie d'un réseau

Il estimportantdedénirde manièrepré ise e quel'onentend parduréede vie

d'unréseaude apteurs. Danslalittérature,ilexistediérentesdénitionspossibles,

selondespropriétésetdes ontraintesdiversesliéesauréseauquel'ondésireétudier.

Ainsi,le réseau est supposé avoiratteintsa n de vie dès lors:

 qu'un n÷ud du réseau est défaillant. La durée de vie de e n÷ud est don

également elle du réseaude apteurs [44,45℄.

 quelepour entage den÷udsen orea tifsest inférieuràun seuilxé[46,47℄;

 que le réseau de apteurs ne ouvre plus omplètement la zone d'intérêt [43,

48, 49℄ (présen e d'une zone où le phénomène physique onsidéré ne pourra

plus être observé).

Suivantla ongurationdu réseau,laperte d'unn÷udest susantepourprovoquer

son dysfon tionnement, dans d'autres as le réseau pourra tolérer plusieurs pertes

de n÷uds.Par dysfon tionnement, onentend surtout le partitionnementdu réseau

en omposantes onnexes distin tes.

Pour notrepart,nous onsidérerons laduréede vied'un réseaude apteur selon

lapremièredénition,àsavoir ommeétantégaleà elledupremiern÷uddéfaillant.

2.2.1 Un n÷ud défaillant

Cette première appro he onsiste à onsidérer le réseau en vie et don

opéra-tionnel,tant quetous les n÷udsdisposentde susamment d'énergie pour exé uter

les tâ hes qui leurs restent à a omplir. Elle est souvent utilisée dans le adre de

réseaux présentant une onsommation énergétique homogène pour tous les n÷uds

( eux- i meurent quasiment en même temps). Dans ette appro he, il n'est pas

né- essairede onsidérerl'impa tde laperte d'un n÷ud sur la onne tivité du réseau.

Par exemple,il n'y au une phase de re onstru tion des tables de routage.

2.2.2 Un nombre de n÷uds a tifs insusant

Unealternativeàl'appro he pré édente est de onsidérerun réseau ommea tif

tantqu'une ertaineproportionde sesn÷udsest en oreenfon tionnement.Deplus,

tous les n÷uds ayant en ore de l'énergie doivent faire partie d'une seule et même

omposante onnexe. Dans e ontexte, la disparitiond'un n÷uddoit être intégrée.

Il est impératif de redénir les tables de routage en tenant ompte uniquement

des n÷uds en ore a tifs. Une phase de réorganisation / auto-organisation est don

indispensable.Dans e asde gure,ilestpossible de ontinueràexploiterleréseau

de apteurs. Comme le montre le gure 2.1, l'évolution du réseau peut être vue