Les réseaux de capteurs

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1 République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l Enseignement Supérieur et de la recherche scientifique Université des sciences et de la Technologie Houari Boumediene Faculté d électronique et d informatique Licence 3 : GTR Exposé sur : Les réseaux de capteurs Travail réalisé par : - Meldjem Sara Khalfi Chahinez Merabtine Nour-Houda Hadj Rabah Karima

2 TABLE DES MATIÈRES Introduction générale...4 Chapitre 1. Généralités sur les réseaux de capteurs I. Introduction 6 II. Architecture et composants d un capteur Sans fil..7 III. Architecture d un réseau de capteurs sans fils....8 IV. Applications des réseaux de capteurs.9 V. Caractéristiques des RCSF.10 VI. Contraintes de conception des RCSF...14 VII. Conclusion.16 Chapitre 2. Les protocoles de routage I. Introduction...18 II. Les différents protocoles de routage Inondation Gossiping SPIN DD GAF LEACH PEGASIS.21 III. Les principales classes des protocoles de routage : Le routage plat Le routage hiérarchique Le routage géographique.23 IV. Conclusion

3 Chapitre 3. Le protocole LEACH I. Introduction.26 II. Description de l algorithme LEACH.26 III. La durée de vie du réseau..27 IV. Conclusion..28 Conclusion générale.29 3

4 Introduction générale Les progrès réalisés lors de ces dernières décennies dans les domaines de la microélectronique, de la micromécanique, et des technologies de communication sans fil, ont permis de produire avec un coût raisonnable des composants de quelques millimètres cubes de volume. Ces derniers, appelés micro-capteurs, intègrent : une unité de captage chargée de capter des grandeurs physiques (chaleur, humidité, vibrations) et de les transformer en grandeurs numériques, une unité de traitement informatique et de stockage de données et un module de transmission sans fil. Un grand nombre de ces dispositifs (micro-capteurs) sont déployés dans la nature afin de créer un réseau de capteurs à des fins aussi bien de contrôle. Le fort potentiel d applications des réseaux de capteurs en font un domaine de recherche très actif. Un micro-capteur est muni d'une ressource énergétique (généralement une batterie) pour alimenter tous ses composants. Cependant, en raison de sa taille réduite, la ressource énergétique dont il dispose est limitée et généralement irremplaçable. Dès lors, l énergie est la ressource la plus précieuse dans un réseau de capteurs, puisque elle influe directement sur la durée de vie des micros capteurs, voire du réseau en entier, étant donnée que le routage de donnée est un facteur déterminant dans la gestion économique d énergie plusieurs recherche on était effectuée afin de proposer des stratégies de routages dont certaines sont des adaptations de stratégies qui existaient pour d'autres types de réseaux (réseau ad hoc) tandis que d'autres ont été conçues spécialement pour les réseaux de capteurs sans fil. L objectif de notre projet est d étudier les caractéristiques des réseaux de capteurs, repérer leurs inconvénients et leurs avantages et enfin énumérer les différents protocoles de routages utilisés afin d étudier un des protocoles en détail. Le projet sera organisé comme suit : En premier lieu, on introduira quelques généralités sur les réseaux de capteurs sans fil. Ensuite, on présentera les protocoles de routage dans les RCSFs ainsi que leurs classements. Par la suite on détaillera un des protocoles utilisés. Enfin, On terminera avec une conclusion générale. 4

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6 I. Introduction Les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs ou WSNs : Wireless sensor networks en anglais) sont devenus de plus en plus omniprésents. Les milieux scientifiques et industriels leurs prêtent de en plus d'attention du fait de leurs riches applications dans les domaines : médical, commercial et militaire. Selon MIT s Technology Review, il s agit de l une des dix nouvelles technologies qui vont influer sur notre manière de vivre et de travailler. Les RCSFs sont des réseaux de nœuds sans fil dédiés à des applications spécifiques. Ils sont considérés comme un type particulier des réseaux Ad-hoc, dans lesquels les nœuds sont des capteurs intelligents (smart sensors). Les RCSFs sont composés d un nombre potentiellement très grand (plusieurs milliers) de capteurs qui se communiquent selon un modèle de communication «sources multiples - destination unique», déployés dans la zone à couvrir. Chaque capteur est capable d effectuer d'une manière autonome trois tâches complémentaires: mesure d une valeur physique, traitement de ses mesures, et communication par voie hertzienne.. Figure 1 : Réseau de capteurs sans fils Les capteurs sont des objets limités en termes de bande passante, de puissance de calcul, de mémoire disponible et d énergie embarquée. La position de ces nœuds n'est pas obligatoirement prédéterminée. Ils sont dispersés aléatoirement à travers une zone géographique, appelée champ de captage, qui définit le terrain d'intérêt pour le phénomène capté. Les données captées sont acheminées grâce à un routage multi-sauts à un nœud considéré comme un "point de collecte" ou "collecteur", appelé nœud puits (sink, ou station de base). Ce dernier peut être connecté à l'utilisateur du réseau via Internet ou un satellite. Ainsi, l'usager peut adresser des requêtes aux autres nœuds du réseau, précisant le type de données requises et récoltant les données environnementales captées par le biais du nœud puits. 6

7 Figure 2 : Exemple de capteurs sans fils Les réseaux de capteurs sans fil sont typiquement employés dans les environnements fortement dynamiques et hostiles sans existence humaine (à la différence des réseaux informatiques conventionnels), et donc, ils doivent être tolérants à l'échec (avec une participation humaine minime) et à la perte de connectivité. II. Architecture et composants d un capteur Sans fil L architecture générale présentée dans la littérature est schématisée sur la figure (figure 3). L architecture comprend quatre éléments de base pour le fonctionnement du capteur: une unité de captage, une unité de traitement, une unité d émission/réception et une unité de puissance; néanmoins, d autres éléments optionnels peuvent être intégrés pour certaines applications spécifiques, à savoir: un système de localisation géographique, un régénérateur d énergie et un mobilisateur. Chacun de ces éléments sera détaillé dans ce qui suit: Figure 3 : Architecture d un capteur sans fils 1- L unité de captage : C est le composant principal d'un nœud sans fil qui se distingue de tout autre système embarqué avec ces capacités de communication. L'unité de captage peut inclure généralement plusieurs sondes, qui fournissent des informations collectées du monde physique. Chaque unité est responsable de collecter les informations d'un certain type, tel que la température, l humidité, ou la lumière. Cette unité est généralement composée de deux sous-unités : le capteur lui-même et un convertisseur Analogique/Numérique. Le capteur est responsable de fournir des signaux analogiques, basés sur le phénomène observé, au convertisseur 7

8 Analogique/Numérique. Ce dernier transforme ces signaux en un signal numérique compréhensible par l'unité de traitement. 2- L unité de traitement : L'unité de traitements est le contrôleur principal du nœud sans fil. Elle se compose d'une mémoire à bord ou peut être associée à une petite unité de stockage intégrée sur la carte intégrée. L'unité de traitement contrôle les procédures qui permettent au nœud d'exécuter des opérations de détection, des algorithmes associés et de collaborer avec les autres nœuds par la communication sans fil. 3- L unité de transmission : Cette unité est responsable d'effectuer toutes les émissions et réceptions des données sur un medium sans fil. Elle peut être de type optique (comme dans les nœuds Smart Dust), ou de type radio-fréquence. Les communications de type optique sont robustes vis-à-vis des interférences électriques. Néanmoins, elles présentent l'inconvénient d'exiger une ligne de vue permanente entre les entités communicantes. Par conséquent, elles ne peuvent pas établir de liaisons à travers des obstacles. Les unités de transmission de type radio-fréquence comprennent des circuits de modulation démodulation, filtrage et multiplexage; ce qui implique une augmentation de la complexité et du coût de production du micro-capteur. Concevoir des unités de transmission de type radio-fréquence avec une faible consommation d'énergie est un véritable défi. En effet, pour qu'un nœud ait une portée de communication suffisamment grande, il est nécessaire d'utiliser un signal assez puissant. Cependant, l énergie consommée serait importante. L'autre alternative serait d'utiliser de longues antennes, mais ceci n'est pas possible à cause de la taille réduite des micro-capteurs. 4- L'unité de contrôle d'énergie : Un micro-capteur est muni d'une ressource énergétique (généralement une batterie) pour alimenter tous ses composants. Cependant, en conséquence de sa taille réduite, la ressource énergétique dont il dispose est limitée et est généralement irremplaçable. Dès lors, l'énergie est la ressource la plus précieuse dans un réseau de capteurs, puisque elle influe directement sur la durée de vie des micro-capteurs, voire du réseau en entier. L'unité de contrôle d'énergie constitue donc l'un des systèmes les plus importants. Elle est responsable de répartir l'énergie disponible aux autres modules et de réduire les dépenses en mettant en veille les composants inactifs par exemple. Cette unité peut aussi gérer des systèmes de rechargement d'énergie à partir de l'environnement observé telles que les cellules solaires, afin d'étendre la durée de vie totale du réseau. Le capteur peut contenir également, suivant son domaine d'application, des modules supplémentaires tels que : 8

9 - Le système de localisation géographique: Dans plusieurs applications, les tâches de détection et les techniques de routage ont besoin de connaitre la localisation géographique d'un nœud. Ainsi, il est commun pour qu'un nœud soit équipé d'un système de localisation géographique. Ce système peut se composer d'un module de GPS pour un nœud de haut niveau ou bien d'un module de software qui implémente des algorithmes de localisation qui fournissent les informations sur l'emplacement du nœud par des calculs distribués. - Le mobilisateur: Un mobilisateur peut parfois être nécessaire pour déplacer un nœud pour accomplir ses tâches. Le support de mobilité exige des ressources énergétiques étendues qui devraient être fourni efficacement. Le mobilisateur peut, également, opérer dans l'interaction étroite avec l'unité de détection et le processeur pour contrôler les mouvements du nœud. - Le régénérateur de l énergie: Tandis que l'alimentation par batterie, est la plupart du temps, utilisée dans les nœuds, un générateur électrique supplémentaire peut être utilisé pour des applications où une plus longue vie de réseau est essentielle. Pour des applications extérieures, des piles solaires sont utilisées pour générer l'alimentation électrique. De même, des techniques de récupération d'énergie pour l'énergie thermique ou cinétique peuvent également être utilisées. III. Architecture d un réseau de capteurs sans fils Tous les capteurs respectent globalement la même architecture basée sur un noyau central autour duquel s articulent les différentes interfaces d entrée-sortie, de communication et d alimentation. La figure 4 montre un exemple d un réseau de capteurs. Figure 4 : Exemple de réseaux de capteurs 9

10 Un RCSF est composé d'un ensemble de nœuds capteurs qui sont organisés en champs «Sensor Fields». Chacun de ces nœuds a la capacité de collecter des données et de les transférer au nœud passerelle par l'intermédiaire d'une architecture multi-sauts. Le nœud passerelle transmet ensuite ces données par Internet ou par satellite à l'ordinateur central «Gestionnaire de tâches» pour analyser ces données et prendre des décisions. IV. Applications des réseaux de capteurs La taille de plus en plus réduite des micro-capteurs, le coût de plus en plus faible, la large gamme des types de capteurs disponibles (thermique, optique, vibrations,...) ainsi que le support de communication sans fil utilisé, permettent aux réseaux de capteurs d'envahir plusieurs domaines d'applications. Ils permettent aussi d'étendre les applications existantes et de faciliter la conception d'autres systèmes tels que le contrôle et l'automatisation des chaînes de montage. Les réseaux de capteurs ont le potentiel de révolutionner la manière même de comprendre et de construire les systèmes physiques complexes. Les réseaux de capteurs peuvent se révéler très utiles dans de nombreuses applications lorsqu'il s'agit de collecter et de traiter des informations provenant de l'environnement. Parmi les domaines où ces réseaux peuvent offrir les meilleures contributions, nous citons les domaines : militaire, environnemental, domestique, santé, sécurité, etc. Des exemples d'applications potentielles dans ces différents domaines sont exposés ci-dessous ; 1- Applications militaires Comme dans le cas de plusieurs technologies, le domaine militaire a été un moteur initial pour le développement des réseaux de capteurs. Le déploiement rapide, le coût réduit, l'auto-organisation et la tolérance aux pannes des réseaux de capteurs sont des caractéristiques qui rendent ce type de réseaux un outil appréciable dans un tel domaine. Figure 5 : réseau de capteurs militaire Comme exemple d'application dans ce domaine, on peut penser à un réseau de capteurs déployé sur un endroit stratégique ou difficile d'accès, afin de surveiller toutes les activités des forces ennemies, ou d'analyser le terrain avant d'y envoyer des troupes 10

11 (détection d'agents chimiques, biologiques ou de radiations). Des tests concluants ont déjà été réalisés dans ce domaine par l'armée américaine dans le désert de Californie. 2- Applications à la sécurité Les altérations dans la structure d'un bâtiment, suite à un séisme ou au vieillissement, pourraient être détectées par des capteurs intégrés dans les murs ou dans le béton, sans alimentation électrique ou autres connexions filaires. Les capteurs doivent s'activer périodiquement et peuvent ainsi fonctionner durant des années, voire des décennies. Un réseau de capteurs de mouvements peut constituer un système d'alarme distribué qui servira à détecter les intrusions sur un large secteur. Déconnecter le système ne serait plus aussi simple, puisque il n'existe pas de point critique. La surveillance de voies ferrées pour prévenir des accidents avec des animaux et des êtres humains peut être une application intéressante des réseaux de capteurs. 11 Figure 6 : Application à la sécurité La protection des barrages pourrait être accomplie en y introduisant des capteurs. La détection de fuites d'eau permettrait d'éviter des dégâts. Les êtres humains sont conscients des risques et attaques qui les menacent. Du coup, ils mettent à disposition toutes les ressources humaines et financières nécessaires pour leur sécurité. Cependant, des failles sont toujours présentes dans les mécanismes de sécurisation appliqués aujourd'hui, sans oublier leur coût très élevé. L'application des réseaux de capteurs dans le domaine de la sécurité pourrait diminuer considérablement les dépenses financières consacrées à la sécurisation des lieux et à la protection des êtres humains tout en garantissant de meilleurs résultats. 3- Applications environnementales Des thermo-capteurs dispersés à partir d'un avion sur une forêt peuvent signaler un éventuel début d'incendie dans le champ de captage; ce qui permettra une meilleure efficacité pour la lutte contre les feux de forêt. Dans les champs agricoles, les capteurs peuvent être semés avec les graines. Ainsi, les zones sèches seront facilement identifiées et l'irrigation sera donc plus efficace. Sur les sites industriels, les centrales nucléaires ou dans les pétroliers, des capteurs peuvent être déployés pour détecter des fuites de produits toxiques (gaz, produits chimiques, éléments radioactifs, pétrole, etc.) et alerter les utilisateurs dans un délai suffisamment court pour permettre une intervention efficace.

12 Figure 7 : Application environnementale Une grande quantité de capteurs peut être déployée en forêt ou dans un environnement de conservation de la faune afin de recueillir des informations diverses sur l'état du milieu naturel et sur les comportements de déplacement. Par exemple, l'université de Pise en Italie a réalisé des réseaux de capteurs pour le contrôle des parcs naturels (feux, animaux,..). Il est ainsi possible "d'observer", sans déranger, des espèces animales difficiles à étudier dans leur environnement naturel et de proposer des solutions plus efficaces pour la conservation de la faune. Les éventuelles conséquences de la dispersion en masse des micro-capteurs dans l'environnement ont soulevé plusieurs inquiétudes. En effet, chaque micro-capteur est doté d'une batterie qui contient des métaux nocifs. Néanmoins, le déploiement d'un million de capteurs de 1 millimètre cube chacun ne représente qu'un volume total d'un litre. Même si tout ce volume était constitué de batteries, cela n'aurait pas des répercussions désastreuses sur l'environnement. 4- Applications médicales On pourrait imaginer que dans le futur, la surveillance des fonctions vitales de l'être humain serait possible grâce à des micro-capteurs qui pourront être avalés ou implantés sous la peau. Actuellement, des micro-caméras qui peuvent être avalées existent. Elles sont capables, sans avoir recours à la chirurgie, de transmettre des images de l'intérieur d'un corps humain avec une autonomie de 24 heures. Les auteurs d'une récente étude, présentent des capteurs qui fonctionnent à l'intérieur du corps humain pour traiter certains types de maladies. Leur projet actuel est de créer une rétine artificielle composée de 100 micro-capteurs pour corriger la vue. 12

13 Figure 8 : ensemble de capteurs dans un corps humain. D'autres ambitieuses applications biomédicales sont aussi présentées, tel que : la surveillance du niveau de glucose, le monitoring des organes vitaux ou la détection de cancers. L'utilisation des réseaux de capteurs dans le domaine de la médecine pourrait apporter une surveillance permanente des patients et une possibilité de collecter des informations physiologiques de meilleure qualité, facilitant ainsi le diagnostic de quelques maladies. 5- Applications commerciales Il est possible d'intégrer des nœuds capteurs au processus de stockage et de livraison. Le réseau ainsi formé, pourra être utilisé pour connaître la position, l'état et la direction d'un paquet ou d'une cargaison. Il devient alors possible pour un client qui attend la réception d'un paquet, d'avoir un avis de livraison en temps réel et de connaître la position actuelle du paquet. Pour les entreprises manufacturières, les réseaux de capteurs permettront de suivre le procédé de production à partir des matières premières jusqu'au produit final livré. Grâce aux réseaux de capteurs, les entreprises pourraient offrir une meilleure qualité de service tout en réduisant leurs coûts. Dans les immeubles, le système de climatisation peut être conçu en intégrant plusieurs micro-capteurs dans les tuiles du plancher et les meubles. Ainsi, La climatisation pourra être déclenchée seulement aux endroits où il y a des personnes présentes et seulement si c'est nécessaire. Le système distribué pourra aussi maintenir une température homogène dans les pièces. Utilisée à grande échelle, une telle application permettrait de réduire la demande mondiale en énergie réduisant du même coup les gaz à effet de serre. Rien que pour les Etats-Unis, on estime cette économie à 55 milliards de dollars par an avec une diminution de 35 million de tonnes des émissions de carbone dans l'air. Ainsi, dans un contexte mondial où le réchauffement de la planète devient une préoccupation grandissante, une telle conséquence environnementale serait un pas dans la bonne direction. V. Caractéristiques des RCSF Les RCSF ne fonctionnent pas toujours de la même manière que les MANETs. Par exemple, la liaison radio étant intrinsèquement omnidirectionnelle, les RCSF fonctionnent en mode diffusion (broadcast) alors que les MANETs fonctionnent classiquement en pair-à-pair. Les caractéristiques les plus remarquables des RCSF, qui les distinguent justement des MANETs, sont les suivantes : 13

14 - Le nombre de nœuds capteurs peut atteindre plusieurs centaines. - Pour des raisons de fiabilité et suivant le mode de déploiement du RCSF, il y a en général une forte densité des nœuds capteurs. - A cause du mode de fabrication en grandes séries et du type industriel, il n est pas possible de contrôler le bon fonctionnement de chaque nœud capteur. Par ailleurs, parmi les nœuds capteurs disposant d une énergie électrique limitée, certains tomberont en panne au bout d une certaine durée de fonctionnement. Cette caractéristique est à prendre en compte dans la conception du réseau. - La topologie du RCSF change fréquemment à cause des défaillances des nœuds. De plus, il se peut que l on rajoute de nouveaux nœuds capteurs au réseau déjà déployé, soit pour étendre le réseau ou plus sûrement pour compenser la défaillance d un grand nombre de nœuds, après un certain temps de fonctionnement du réseau. - Les ressources des nœuds capteurs en termes d énergie électrique, de puissance de calcul et de capacité de stockage sont très limitées. Le fonctionnement de l ensemble aura pour souci principal de limiter la consommation d énergie afin de prolonger la durée de vie du réseau tout en fournissant une qualité de service acceptable. L utilisateur pourra, au moment du déploiement, choisir entre augmenter la durée de vie du réseau et l exigence des performances à fournir par le réseau. - Les nœuds capteurs n ont pas en général d identifiant global à cause de leur nombre trop grand dans le RCSF et de la surcharge que cela entraîne. Dans un RCSF, l importance est accordée à l information capturée et à la zone de capture au lieu de s intéresser à l identité du nœud capturant cette information. VI. Contraintes de conception des RCSF La conception d un RCSF est influencée par plusieurs paramètres qui, une fois pris en compte, génèrent un guide de conception. Ce guide peut être aussi utilisé pour comparer entre deux RCSF. Parmi ces paramètres, nous citons les suivants : La tolérance aux pannes : Les algorithmes et protocoles doivent tenir compte du fait qu un nœud peut cesser de fonctionner par manque d énergie ou parce qu il a été détruit. Ils devront adapter leur niveau de tolérance aux pannes en fonction de l hostilité du milieu dans lequel est déployé le réseau. Le facteur d échelle : Le nombre de nœuds capteurs déployés peut atteindre des centaines, des milliers, voir même pour certaines applications, des millions. Les protocoles et algorithmes devront pouvoir fonctionner correctement dans tous les cas de figure. Classiquement, la densité des nœuds est de l ordre de 300 nœuds pour 25m2 pour la surveillance de machines et de 10 nœuds par région pour la surveillance de véhicule. Une densité de 20 nœuds/m2 est très courante. Dans une maison, on estime à 2 douzaines le nombre d appareils qui comporteront des capteurs. Pour la domotique, la densité devrait être comprise entre 20 et 100 nœuds par région. Les densités devraient être encore plus importantes si l on insère des capteurs dans les lunettes, les vêtements, les chaussures, les montres, les bijoux ou encore le corps humain. 14

15 Les coûts de production : Si le coût d un nœud capteur est tel que le déploiement d un réseau revient plus cher que les capteurs traditionnels, alors le RCSF n est pas justifié économiquement. L état actuel de la technologie nous permet de produire des capteurs Bluetooth pour dix dollars l unité et des pico-capteurs pour moins d un dollar. Le seuil à atteindre pour que la solution RCSF soit économiquement faisable est bien inférieur à un dollar. Les contraintes matérielles : Un nœud capteur est constitué de composants consommant de l énergie électrique, comme il peut aussi avoir des modules dédiés à l application ou destinés à la localisation ou au mouvement. Par conséquent, la capacité de la batterie d alimentation du nœud forme une contrainte matérielle forte. Il est aussi connu que le volume du nœud capteur n excède pas celui d une boite d allumette, ceci s oppose à ce qui précède. Par ailleurs, les transmissions radio d un nœud capteur sont plus complexes et consomment plus d énergie que les liaisons optiques. Elles sont quand même préférées en raison de leur temps de fonctionnement très bref. Ensuite, bien que les progrès soient constants en micro-électronique, les ressources du microprocesseur sont limitées. Parfois, certains nœuds possèdent un système GPS pour se localiser, mais cela n est pas rentable économiquement. La topologie du réseau : La forte probabilité de panne d un nœud capteur ou la possibilité de rajouter des nœuds font que la topologie du réseau doit pouvoir changer dynamiquement. Il faut donc gérer avec précision la maintenance de cette topologie. On distingue trois phases : le déploiement, le post-déploiement et le redéploiement des nœuds capteurs. Les nœuds capteurs peuvent êtres disséminés à partir des hauteurs ou placés dans des localisations précises de la zone d intérêt. Quelle que soit la méthode utilisée, le coût du déploiement doit rester le plus faible possible. A cause des déplacements des nœuds, d obstacles mobiles ou de brouillages volontaires, des actions postdéploiement peuvent être opérées sur la topologie du RCSF. Des nœuds capteurs peuvent aussi être déployés dans un deuxième temps pour remplacer ceux tombés en panne ou détruits. La topologie d un RCSF doit s adapter à toutes les situations, à savoir les pannes, la mobilité et le rajout des nœuds. L environnement de déploiement : Les nœuds peuvent être déployés tout près de l objet à surveiller ou en son sein. L environnement de déploiement peut être à l intérieur d une grosse machine, au fond d un océan, dans un lieu contaminé biologiquement ou chimiquement, dans un champ de bataille, dans une maison ou un immeuble, sur un animal, sur un véhicule, etc. Ces situations très variées engendrent des contraintes très fortes de l environnement sur les nœuds capteurs. Le support de transmission : Le support de transmission des nœuds doit être universel. Une possibilité est de choisir, pour les transmissions radio, les bandes de fréquences des domaines de l industrie, les sciences et la santé, qui ne nécessitent pas de licences et sont disponibles dans tous les pays. Des contraintes de puissance et de consommation d énergie font qu en réalité se sont les hautes fréquences qui sont avantageuses. Le 15

16 choix s est porté sur la bande des 433Mhz en Europe et des 915Mhz aux USA. La transmission infrarouge aurait pu être intéressante, mais elle a été écartée parce qu elle exige une vue directe entre l émetteur et le récepteur. Le traitement des données : Sachant que le traitement d un paquet est beaucoup moins coûteux que sa transmission par un nœud capteur, on privilégie alors systématiquement les traitements locaux dans chaque nœud capteur (filtrage, calcul de la moyenne, etc.) pour minimiser le volume des données circulant dans le RCSF. La consommation d énergie : Les nœuds capteurs embarquent en général une quantité d énergie très limitée. Les transmissions de données entre les nœuds consomment beaucoup d énergie, surtout si des nœuds tombent en panne et qu il faut réorganiser le RCSF. C est pourquoi des algorithmes et des protocoles ont été développés ayant pour principal souci l économie d énergie, au détriment parfois de la qualité de service fournie par un RCSF. VII. Conclusion Les réseaux de capteurs sans fil ne cessent de prendre une place très appréciée au sein de la communauté de la recherche vu leurs déploiement assez simple et leurs applications qui se développent chaque jour pour élargir leurs horizons. Initialement, réserves pour les applications militaires Aujourd hui, les WSNs ont réussi à conquérir d autres domaines civils plus larges et plus pratiques changeant le quotidien des êtres humains. 16

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18 I. Introduction : Le routage consiste à trouver un chemin pour envoyer le message de la source à la destination. Dans le cadre des réseaux de capteurs, le routage doit être efficace en énergie. Pour cela, il faut bien sûr être capable de trouver une route qui ne coûte pas trop d énergie, une route pas trop longue. Mais il faut aussi être capable de trouver ou de maintenir les routes sans dépenser trop d energie. Les protocoles dans lesquels on maintient à jour des tables de routage à l aide d envois périodiques de paquets hello ont un coût constant non négligeable. Ce coût constant est particulièrement pénalisant puisque l on a des trafics tr`es sporadiques : maintenir une table de routage, pour avoir des routes tr`es efficaces, n est pas intéressant si l on n utilise que tr`es rarement ces routes. Les protocoles de routage spécifiques aux réseaux de capteurs doivent tenir compte du type de communications induit par l application. Outre le fait que la quantité de données échangées est tr`es faible par rapport aux applications de types réseaux ad hoc, notons que le trafic est particulièrement prévisible puisqu il va des nœuds vers le puits ou du puits vers les nœuds. Nous ne faisons pas ici un état de l art des protocoles de routages. Nous voulons seulement présenter des protocoles types des réseaux de capteurs. II. Les différents protocoles de routage : 1. Inondation : L inondation ( flooding, en anglais) consiste à envoyer un message à tout le réseau. L émetteur envoie le message à tous ses voisins. Chaque voisin envoie à son tour le message à tous ses voisins et ainsi de suite. Les nœuds vont donc recevoir le même message plusieurs fois de différents voisins. Pour éviter que le message ne se multiplie dans le réseau, chaque nœud ne le renvoie qu une seule fois. Pour ce faire, chaque message envoyé en inondation a un identifiant unique. Les nœuds qui ré-émettent le message notent l identifiant. S ils reçoivent à nouveau un message avec cet identifiant, ils ne le renvoient pas. 2. Gossiping : Dans cette technique, dérivée de la technique d inondation, le nœud ne diffuse pas les messages reçus à tous ses voisins, mais il les transmet à un seul, sélectionné aléatoirement. En effet, chaque nœud capteur dans le réseau sélectionne aléatoirement un nœud parmi ses voisins pour lui transmettre les données reçues, une fois le nœud voisin reçoit ces données, il choisit un autre nœud d une façon aléatoire pour lui transmettre ces données à son tour. Malgré que cette approche évite le problème d implosion en ayant une seule copie du message au niveau de chaque nœud, elle prend beaucoup plus de temps pour propager les messages dans tout le réseau. 18

19 3. SPIN: L'idée derrière le SPIN est de nommer les données en utilisant des descripteurs de haut niveau ou des métas donnés. Avant la transmission, les méta- données sont échangées entre les capteurs par un mécanisme de publicité de données. Chaque nœud recevant de nouvelles données, l'annonce à ses voisins et ceux intéressés récupèrent les données en envoyant une requête. Méthode : Fonctionnement de SPIN Les communications dans SPIN se font en trois étapes : Lorsqu'un nœud veut émettre une donnée, il émet d'abord un message ADV contenant une description de la donnée en question. Un nœud recevant un message ADV, consulte sa base d'intérêt. S'il est intéressé par cette information, il émet un message REQ vers son voisin. En recevant un message REQ, l'émetteur transmet à l'intéressé la donnée sous forme d'un message DATA. Figure 9: le protocole SPIN. Le nœud A annonce ses données au nœud B (a). B répond par une requête (b). B reçoit les données requises (c). B fait de la publicité à ses voisins (d) qui répondent par des requêtes (e-f) 4. Diffusion dirigé : Ce protocole utilise lui aussi un schéma de nommage sous forme de paire Attribue- Valeur pour les requêtes et les données. Chaque nœud qui recense un événement crée et diffuse un gradient au voisinage direct. La station de base, de son coté, diffuse ses requêtes sous forme d intérêt au voisinage direct; et chaque nœud recevant l intérêt crée un gradient vers le nœud source de cet intérêt. De cette manière, plusieurs routes reliant la station de 19

20 base à la source de données sont réalisées; puis la meilleure route sera renforcée pour éviter la redondance. Définition : Gradient: Un gradient est un vecteur représentant l'intérêt. Il est caractérisé par une direction et une amplitude : la direction est modélisée par le voisin émetteur de l'intérêt, et l'amplitude est représentée par le débit de données. En plus, chaque entrée contient un champ limitant la durée de validité du gradient. 20 Figure 10: Fonctionnement du protocole DD DD est différent de SPIN en deux aspects: 1) dans SPIN, c est les nœuds sources de données qui diffuse eux-mêmes les métas-data pour que les autres nœuds qui les requièrent puissent les retrouver aisément lors de la phase de recherche de données. Alors que, dans DD c est la station de base qui diffuse les requêtes sous forme d intérêt. 2) dans DD la communication s effectue de voisin a voisin ou chaque nœud agrège les données et garde en mémoire le chemin de provenance, par contre, dans SPIN aucune sauvegarde de route n est opérée. Cependant, les échanges fréquents et réguliers d intérêts et de gradient peuvent générer des surconsommations d énergie au niveau des capteurs. 5. GAF (Geographic Adaptive Fidelity): Proposé par Y. Xu et autres en 2001, ce protocole découpe le réseau en plusieurs zones virtuelles; chaque nœud est affecte à une zone donne selon ses coordonnées géographiques (en utilisant le GPS). Les nœuds appartenant a la même zone sont considéré comme équivalents en cout de routage; ainsi, on choisit seulement un nœud de chaque zone pour router les données et les autres sont misent en mode sommeil pour conserver de l énergie. De cette façon, la durée de vie du réseau est augmentée en fonction du nombre total des nœuds inactifs.

21 Dans GAF le nœud peut se retrouver dans l un des trois cas possibles: (1)- Mode découvert: pour déterminer ses voisins de zone; (2)- Actif: s il participe dans le routage de données et (3)- Endormi: s il ne participe pas au routage. Pour supporter la mobilité, chaque nœud estime et diffuse le temps nécessaire pour quitter sa zone a ses voisins. Sur la base de ce temps ils estiment leurs temps de réveil pour choisir celui qui va prendre le relais parmi eux. Il faut noter que GAF ne prend pas en compte l énergie du nœud lors du choix du représentant, ce qui peut générer des trous dans le réseau une fois que ce dernier épuise son énergie. 6. LEACH (Low-Energy Adaptive Clusting Hierarchy): Le protocole LEACH est le plus populaire des protocoles de routage hiérarchique. Sont principal avantage est de minimiser la consommation énergétique des éléments du réseau. Dans ce protocole le réseau est divisé en clusters et chaque cluster possède un nœud maitre appelé cluster-head. Ce dernier prend en charge la gestion de son cluster. Il est élu périodiquement parmi les nœuds formant le cluster, en fonction de l état de sa batterie. 7. PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems): Il est considéré comme une optimisation de LEACH, propose par Lindsey et autres en 2002; PEGASIS regroupe les nœuds du réseau sous forme d une longue chaine en se basant sur le principe qui stipule qu un nœud ne peut communiquer qu avec le nœud le plus proche de lui. Ainsi, il ajuste sa radio pour une communication très courte pour conserver son énergie. Pour communiquer avec le puits, le processus est organise en rounds; au cours de chaque round un seul nœud est autorise à communiquer avec le puits directement. Ce privilège est accorde a l ensemble des nœuds du réseau a tour de rôle. Une meilleure conservation d énergie est obtenue, également, en agrégeant les données sur chaque nœud du réseau. 21

22 III. Les principales classes des protocoles de routage : Cette section présente trois classes principales de protocoles de routage dédiés aux RCSF, à savoir les protocoles utilisant le routage plat, le routage hiérarchique ou le routage géographique. Ces classes avec un ensemble de protocoles représentatifs existants sont données dans la figure Routage plat: Figure11 : Les classes de protocoles de routage Dans le routage plat (flat routing), chaque nœud joue typiquement le même rôle et les nœuds capteurs collaborent pour accomplir la tâche globale du réseau. En raison du nombre important des nœuds capteurs, il n est pas faisable d assigner un identifiant global pour chaque nœud. Cette considération a mené au routage centré-données, où la station de base envoie des requêtes à certaines régions du réseau et attend des retours de données à partir des nœuds capteurs situés dans ces régions. Puisque des données sont demandées par le biais des requêtes, la désignation des attributs est nécessaire pour indiquer les propriétés de ces données. Des premiers travaux sur le routage centré-données, tels que les protocoles SPIN et la diffusion dirigée, ont enregistré une économie d énergie grâce à la négociation entre les nœuds du réseau et l élimination des données redondantes. Figure 12 : Le routage Data-Centric Comme la montre l exemple d une approche data-centric dans la figure, les données provenant des deux sources sont agrégées au nœud B. Ensuite, la donnée combinée (1+2) est envoyée de B vers la destination. 22

23 2. Routage hiérarchique : Les méthodes de routage hiérarchique ont des avantages spéciaux liés au passage à l échelle et à l efficacité dans la communication. Par exemple, elles sont utilisées pour exécuter un routage avec économie d énergie dans les RCSF. Dans une architecture hiérarchique, des nœuds à grande énergie peuvent être employés pour traiter et envoyer l information, alors que des nœuds à énergie réduite peuvent assurer la capture à proximité de la cible. La création des clusters et l assignation des tâches spéciales aux têtes de clusters peuvent considérablement renforcer le passage à l échelle, l augmentation de la durée de vie et l efficacité énergétique du système global. Le routage hiérarchique est une manière efficace de réduire la consommation énergétique dans un cluster en exécutant l agrégation et la fusion de données afin de diminuer le nombre de messages transmis à la station de base. Figure13 : Le routage hiérarchique 3. Routage géographique : A l inverse des approches traditionnelles, le routage géographique présente des propriétés intéressantes pour les réseaux maillés sans fil spontanés : il n exige aucune information sur la topologie globale puisqu un nœud choisit le prochain saut parmi ses voisins sur la base de la localisation de la destination. En conséquence, le mécanisme de routage supporte le passage à l échelle, parce qu il utilise seulement des décisions locales. Le routage géographique est simple, parce qu il n exige pas de tables de routage de sorte qu il n y ait aucune surcharge de contrôle pour leur création et maintenance. La jointure du réseau est également simple, parce qu un nouveau nœud a besoin seulement d une adresse basée sur sa localisation géographique. De telles adresses peuvent être obtenues à partir d un dispositif dédié, par exemple GPS (Global Positioning System), ou par l application de mécanismes d auto-localisation. La variante la plus familière du routage géographique est la transmission en mode glouton (greedy) dans lequel un nœud transmet le paquet au voisin le plus proche de la destination. La transmission en mode glouton fonctionne en boucle ouverte, mais des paquets peuvent être supprimés au niveau des nœuds bloqués qui ont seulement des voisins dans la direction inverse par rapport à la destination. Les nœuds bloqués apparaissent dans quelques 23

24 places proches des zones non-couvertes (des vides) ou près des obstacles à l intérieur du champ de déploiement du réseau. L économie en énergie augmente ainsi en fonction du nombre de nœuds en état de veille dans le réseau. IV. Conclusion : Nous avons essayé à travers ce chapitre de mettre le point sur les différents protocoles de routage dédiés aux RCSFs, et les classer en trois classes différentes selon la structure du réseau. Cette mise au point nous a permis de déduire que le protocole LEACH «protocole hiérarchique» est le plus populaire des protocoles de routage. Cela nous a mené à faire une étude complète de ce protocole proposés dans le chapitre qui suit. 24

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26 Le protocole LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy): 1. Introduction : Le protocole LEACH est le plus populaire des protocoles de routage hiérarchique, il utilise un algorithme distribué ou chaque nœud décide d une manière autonome s il sera Cluster Head ou non en calculant aléatoirement une probabilité pu et en le comparant a un seuil T(u); puis, il informe son voisinage de sa décision. Chaque nœud non ClusterHead décide du cluster à joindre en utilisant un minimum d énergie de transmission (i.e. le plus proche). L algorithme se déroule en plusieurs rounds et pour chaque round, une rotation du rôle du Cluster Head est initie selon la probabilité pu choisie et compare à la formule suivante du seuil: Ou : p: le pourcentage des CHs sur le réseau (généralement 5%); r: numéro du round en cours; G: l ensemble des nœuds qui n était pas CH dans les (1/p) rounds précédentes; 2. Description de l algorithme LEACH : Chaque cluster-head alloue une durée bien déterminé à un voisinage pour établir un lien de communication, d où ces nœuds peuvent alors passer en mode endormi pendant le reste du temps. Une fois que les clusters sont fixés, ces derniers sont appelés à consommer beaucoup d énergie, ce qui va engendrer la mort de ces nœuds. Pour éviter ce grave problème, LEACH utilise la notion de cycles (Rounds). Au début de chaque cycle, chaque nœud doit décider s il doit être sélectionné comme un cluster en se basant sur un facteur probabiliste et sur le fait qu il n était pas cluster-head dans les cycles antérieurs, ou bien il doit joindre un cluster. Ainsi ce protocole dynamique permet de réduire énormément la perte d énergie causée par un statique clustering et permet alors d étendre la durée de vie de chaque nœud. L objectif de protocole LEACH est d optimiser la consommation d énergie afin d assurer une durée de vie plus longue au réseau d une part et d autre part il répartit la charge entre les nœuds de telle sorte que la différence entre la mort du premier et du dernier soit réduite. 26

27 LEACH est considéré comme étant le premier protocole de routage hiérarchique basé sur les clusters. L idée est de former des clusters de nœuds capteurs en se basant sur la puissance du signal reçu et d'employer le cluster-head local comme routeur vers la station de base. Cela économiserait de l énergie puisque seul les cluster-head s effectueront une transmission vers le puits. Le nombre optimal de cluster-heads dans un réseau de capteurs est de 5% par rapport au nombre total de nœuds. Tous les processus de données tel que la fusion et l agrégation sont locaux aux clusters. Le cluster-head est élu périodiquement en fonction de son niveau d énergie pour équilibrer la consommation d énergie des nœuds. LEACH est totalement distribué et n a besoin d aucune connaissance globale du réseau. Cependant il utilise un routage à saut unique où chaque nœud peut transmettre directement au cluster-head. Mais il n est pas applicable aux réseaux qui sont déployés sur une grande surface. De plus, le clustering dynamique ajoute une grande sur charge comme le changement des cluster-heads ce qui peut diminuer le gain en énergie. Figure12 : Routage hiérarchique basé sur le clustering. 3. La durée de vie du réseau : Au niveau du protocole LEACH, la durée de vie du réseau est faible, parce que dans LEACH, les nœuds s épuisent plus rapidement vue la distance entre les CHs et leurs membres d un côté et la distance entre les CHs et la station de base comme dans la figure13. En effet, les phases d initialisation c est-à-dire les phases de formation de clusters qui induisent un nombre important de messages de contrôle vont se faire à chaque nouveau round impliquant une consommation d énergie supplémentaire. 27

28 Figure13 : La durée de vie du réseau au niveau de LEACH. 4. Conclusion : LEACH préconise une agrégation de données au niveau des CHs pour plus de conservation d énergie. Cependant, plusieurs critiques sont apportées au protocole LEACH relatives à ses hypothèses contraignantes de départ, à savoir: - La possibilité de communiquer avec le puits à travers n importe quel nœud du réseau exige une consommation d énergie importante des nœuds lointains. Ce qui rend le protocole moins apte au passage à l échelle ; - L agrégation des données est centrée au niveau des CHs, ce qui les rend les maillons faibles du réseau; - La rotation du rôle du CH sur l ensemble des nœuds du cluster, permet d une part d équilibrer la consommation de l énergie du cluster. Mais, elle génère une sur consommation d énergie, car chaque rotation de CH nécessite une phase de diffusion pour faire connaitre le nouveau CH; - LEACH ne garantit pas une distribution homogène des CHs sur le réseau, car le seul critère d élection du CH est une probabilité aléatoire. Cela n empêche pas une concentration des CHs dans une région limitée au détriment de l ensemble du réseau. 28

29 Conclusion générale Les réseaux de capteurs sans fil sont une réalité fonctionnelle et sont voués à se développer rapidement du fait de la grande variété des domaines d applications. Evidemment, le caractère très discret des capteurs peut poser des problèmes de santé (car ça ajoute encore des ondes à celles déjà existantes) mais aussi des problèmes d éthique, de sécurité ou de violation de la vie privée. Dans le premier chapitre, nous avons défini ce qu est un réseau de capteurs sans fil que nous avons considéré comme un type particulier de réseau ad hoc. Puis, nous avons décrit brièvement un réseau de capteur, ses applications, son architecture, ses principales contraintes de conception et la consommation d énergie. Dans le deuxième chapitre, nous avons mis l accent sur les principaux protocoles de routage dans les réseaux de capteurs. Nous avons résumé les protocoles de routage dans les réseaux de capteurs et classé les approches en trois catégories principales : les protocoles hiérarchiques, les protocoles basés sur la localisation et les protocoles data-centric. Enfin, Nous nous sommes concentrés sur un de ces protocoles de routage qui est le protocole LEACH. 29