Soutenance mémoire
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La pile protocolaire
Le principal objectif face à une application de réseau de capteurs sans fil est de pouvoir fournir une solution efficace, qui :
Soit basée sur des normes de réseau sans fil ;
Peut gérer des faibles/moyens débits de données, avec une faible consommation en énergie ;
Peut supporter la mobilité (capacité d’auto-organisation) ;
Peut intégrer une gestion des tâches, tout en restant fiable.
La Figure I.7 représente une vision possible de la pile protocolaire pour les réseaux de capteurs sans fil en général.
Nous pouvons donc constater que l’ensemble des protocoles doivent assurer la communication et en même temps s’acquitter de la gestion globale du système. Pour traiter ce deuxième aspect (qui est spécifique pour les réseaux de capteurs sans fil), il existe plusieurs solutions:
Confier les différents plans de gestion à un certain niveau de communication ;
Faire de la gestion en impliquant plusieurs niveaux de communication en même temps ;
Combiner les deux possibilités.
Protocoles de communication pour les WSNs
Nous nous intéressons maintenant à savoir comment concevoir des protocoles/interfaces de communication appropriés aux WSNs. Pour cela, la suite de notre étude est dédiée { des aspects concernant l’architecture réseau de ces systèmes, dans le but de résoudre les problèmes de communication.
La richesse des options qu’une interface générale dédiée aux réseaux de capteurs aurait à offrir est vaste. En regardant les questions/problèmes soulevés jusqu’ici, trois d’entre eux se mettent en évidence :
La communication qui est centrée sur les données ;
Le besoin d’une bonne gestion de l’énergie ;
Le compromis entre une bonne précision de la synchronisation et la consommation en énergie. En conséquence, concevoir des WSNs qui sont très différents les uns des autres en utilisant des concepts et des technologies existants aujourd’hui, est un défi loin d’être réalisé. Il n’est donc pas si surprenant qu’il y ait eu relativement peu de travail sur une approche systématique de service pour les interfaces de réseaux de capteurs sans fil.
Une tentative dans ce sens a été entreprise par Sgroi et al. [14], qui se base sur le principe d’une interface client/serveur pour organiser une «gestion de requêtes » et une « interface de commande », embellies par d’autres ensembles de paramètres. Mais, il reste particulièrement difficile de savoir comment étendre les fonctionnalités de gestion en réseau en fonction de chaque API (Application Programming Interface), comment contrôler la consommation d’énergie, ou comment sélectionner { partir d’une seule commande plusieurs composants pour exécuter une tâche donnée (par exemple, sélectionner un des protocoles de routage disponibles pour l’application).
Un autre exemple d’application très spécifique des demandes de services est EnviroTrack [1], qui a comme but principal le suivi d’objets mobiles. Cette application permet de définir des «contextes» pour certaines tâches de suivi, qui ont des fonctions d’activation et de «rapport» des objets.
Donc, nous constatons que les interfaces de communication pour WSNs sont d’une très grande complexité à cause des exigences des applications. Pour mieux répondre à ces exigences, cela nécessite une meilleure compréhension de la pile protocolaire, ou de mettre en balance les efforts nécessaires pour l’optimisation des performances, lorsque nous utilisons une interface de service prédéfinie.
Le protocole MAC est la première couche au-dessus de la couche Physique (PHY) et, par conséquent, les protocoles MAC sont fortement influencés par les propriétés de cette couche. La tâche fondamentale de tout protocole MAC est de réglementer l’accès d’un nombre de noeuds { un support partagé, de manière { ce que certaines exigences de performance dépendantes de l’application soient remplies. Habituellement, les exigences de performances les plus importantes pour les protocoles MAC sont :
L’efficacité en terme de débit ;
La stabilité du système ;
Un faible délai d’accès au média (le temps entre l’arrivée du paquet et la première tentative réussite de le transmettre) ;
Un faible délai de transmission (le temps entre l’arrivée de paquets et la réussite de la transmission).
Dans la littérature, nous trouvons des nombreuses solutions pour améliorer le fonctionnement de la norme 802.11, comme par exemple l’adapter au contexte des antennes directives [22]. Dans cette catégorie, nous pouvons citer les protocoles comme T-MAC [24], B-MAC [25], ou bien des propositions hybrides [26].
Dans les réseaux des capteurs sans fil, la question de l’efficacité énergétique est de plus en plus considérée au niveau des protocoles MAC. L’une des principales approches pour économiser l’énergie consiste { mettre les noeuds en état de sommeil le plus de temps possible. L’idée est de passer un maximum de temps dans l’état de repos et de réduire au maximum les activités de communication d’un noeud capteur [95].
Pour d’autres protocoles, par exemple le S-MAC (Sensor – MAC) [15], il y a aussi une phase de réveil périodique, mais les noeuds peuvent { la fois transmettre et recevoir au cours de cette phase de réveil. Lorsque les noeuds se trouvent dans leur phase de réveil en même temps, il n’est pas nécessaire pour un noeud qui souhaite transmettre un paquet, d’être réveillé en dehors de ces phases de rendez-vous avec son récepteur.
D’autres classes importantes de protocoles MAC sont axées sur le problème des collisions. Dans ce contexte, les données { transmettre vers un possible noeud récepteur peuvent être interceptées par un de ses voisins. Le risque de se retrouve avec plusieurs noeuds voisins qui attendent le canal en même temps, est de provoquer des collisions qui vont augmenter la consommation en énergie. Il y a deux protocoles importants faisant partie de cette catégorie [17] : ALOHA et CSMA, auxquels se rajoutent des mécanismes pour résoudre le problème du terminal caché. Adireddy et Tong [16] ont pris en compte des informations théoriques sur les réseaux de capteurs sans fil, et plus précisément, ils ont étudié une variation d’ALOHA qui utilise des informations sur l’état du canal. Nous n’oublions pas les protocoles d’accès au canal à base de calendrier, pour lesquels les utilisateurs peuvent partager le medium de communication via différentes méthodes [18], telles que TDMA, FDMA, CDMA, ou SDMA. L’avantage fondamental de ces protocoles est que les horaires de transmission sont calculés de telle sorte qu’il n’y a pas de collision à la réception et donc des mécanismes spéciaux pour éviter des situations telles que « le noeud caché » sont inutiles.
L’algorithme du TDMA [19] attribue explicitement des périodes de transmission et de réception pour les noeuds, en les laissant dormir tout le reste du temps. En contrepartie, il est difficile pour un noeud de céder ses slots de temps { ses voisins. Un autre inconvénient est que le calendrier d’un noeud (et éventuellement celui de ses voisins) peut nécessiter une quantité importante de mémoire, qui est une ressource rare dans plusieurs applications. Enfin, l’attribution des horaires TDMA distribués sans conflit est un problème difficile en lui-même.
Nous pouvons constater que le problème lié à la consommation d’énergie est un aspect souvent traité dans la conception des technologies de communication sans fil. Une fois de plus pour les WSNs, la gestion d’énergie est un besoin indispensable qui influence directement la durée de vie du système. Par conséquent, dans la section suivante, nous avons analysé de plus près ce paramètre avec les possibles méthodes d’optimisations trouvées dans la littérature.
La limitation en énergie pour un WSN
Concevoir des réseaux de capteurs sans fil est devenu possible grâce à certains progrès décisifs dans les technologies utilisées, et en particulier la miniaturisation du matériel. Ainsi, les dimensions microscopiques des éléments ont également fait baisser la consommation d’énergie pour les composants de base d’un noeud capteur, à un niveau tel que la construction de réseaux de capteurs peut être envisagée. Ceci est particulièrement pertinent pour les microcontrôleurs et les mémoires, mais aussi pour les modules radio dont la communication sans fil est devenue beaucoup plus éco-énergétique. La réduction de taille des puces permet aussi un déploiement redondant de noeuds, amenant par conséquent une réduction du coût de production.
Donc, une des préoccupations de base concernant le noeud capteur est sa consommation en énergie. Cela nécessite dans la plupart des applications des batteries haute capacité, qui ont un taux négligeable d’autodécharge. Idéalement, un noeud capteur a également un dispositif de récupération d’énergie, comme des cellules solaires11 (Figure I.12 (a)), ou des dispositifs de récupération d’énergie thermoélectrique12 (Figure I.12 (b)). Les deux problématiques, la batterie et la récupération de l’énergie représentent aujourd’hui des importants sujets de recherche.
L’avantage de ne pas être obligé de raccorder l’équipement { une source électrique est donc la liberté de mouvement dont bénéficient les noeuds capteurs sans fil, ce qui donne une grande souplesse en terme de mobilité au réseau. En contre partie, l’alimentation en énergie devient l’élément crucial du système. Il existe essentiellement deux aspects { traiter : d’une part, stocker l’énergie et pouvoir la fournir dans la forme requise, et d’autre part, tenter de reconstituer l’énergie au fur et { mesure { partir d’une source externe.
En conséquence, la source d’énergie d’un noeud capteur peut être une batterie non rechargeable (des piles primaires), ou rechargeables si un périphérique de stockage est présent sur le noeud. Comme la récupération d’énergie est devenue un important sujet de recherche [32], la réalisation des batteries est devenue une véritable industrie. Sous une forme ou une autre, les batteries représentent une accumulation électrochimique d’énergie. Les produits chimiques constituent le principal facteur de la technologie de fabrication des batteries. Ils doivent avoir une capacité de stockage élevée mais un faible poids, un faible volume, ainsi qu’un prix bas.
Généralement, les batteries ont une capacité faible et la recharge par récupération de l’énergie est complexe et pas suffisante, ce qui impose un contrôle étroit de la consommation énergétique d’un noeud capteur. Les principaux consommateurs d’énergie sont le microcontrôleur, la partie radio, dans une certaine mesure la mémoire, et, selon leur type, les capteurs.
La contribution la plus importante pour la réduction de la consommation énergétique de ces composants provient du niveau puce électronique et des technologies bas niveau. Mais, les avantages acquis par de tels composants peuvent facilement être perdus lorsque les composants sont mal exploités ou mal adaptés au contexte de l’application.
Comme pour certaines applications le noeud capteur n’est pas en activité tout le temps, il est par conséquent préférable de le désactiver. Éteindre complètement un noeud n’est pas possible, donc nous pouvons plutôt adapter son état de fonctionnement aux tâches à accomplir. Ainsi, l’introduction de plusieurs états de fonctionnement pour le microcontrôleur est une technique majeure pour le noeud capteur sans fil { haut rendement énergétique [33].
Similaires aux états d’un microcontrôleur, l’émetteur et le récepteur radio peuvent fonctionner dans différents modes. Plus précisément, ils sont mis sous tension ou hors tension. Pour mieux comprendre le comportement de la consommation d’énergie pour les émetteurs-récepteurs radios et leur impact sur la conception des protocoles, des modèles de consommation d’énergie par bit ont été proposés et développés [34].
En faisant une analyse de la consommation de l’énergie des microcontrôleurs et des émetteurs-récepteurs radios [35], une question évidente se pose : quelle est la solution la plus optimale pour utiliser les ressources énergétiques d’un noeud capteur ? Autrement dit, est-il préférable de privilégier l’envoi des données ou plutôt de faire des calculs au niveau logiciel.
Dans [36], il est montré assez clairement que la communication est une tâche beaucoup plus « chère » que le calcul. Pourtant, l’énergie dépensée dans les calculs ne peut pas être simplement ignorée ; elle reste cependant moins importante que l’énergie consommée par la communication, mais toujours sensible dans la consommation globale. Cette observation est à la base d’un certain nombre d’approches et de décisions de conception d’architecture de réseau de capteurs sans fil. L’idée est donc d’investir le plus possible dans le calcul informatique du réseau afin de gagner sur les dépenses énergétiques de la communication.
Optimisation et paramètres de performances
L’optimisation { travers les principes du cross-layer
Habituellement, une architecture de communication bien adaptée { l’application favorise la longévité du système. Même si le médium sans fil est fondamentalement différent de celui filaire, une architecture classique en couches de communication est un moyen raisonnable d’exploiter les réseaux sans fil, qui restent optimal jusqu’{ un certain point. Ainsi, les travaux d’optimisation sont devenus aujourd’hui une préoccupation importante pour la recherche. Une des méthodes les plus utilisées pour optimiser les systèmes de communications est le cross-layer (ou l’architecture inter-couche).
Le principe du cross-layer est une approche coopérative du fonctionnement des systèmes, et consiste à échanger des informations entre les différentes couches de communication en fournissant des informations à partir des couches inférieures, tout en gardant une généricité maximale. Ainsi les nouvelles architectures ont l’avantage de permettre un meilleur contrôle du médium de communication.
Autrement dit, les couches qui adressent des services dans une approche cross-layer peuvent être adjacentes ou pas (comme nous pouvons voir dans la Figure I.13, où les niveaux applicatif et physique par exemple, peuvent changer des informations), ce qui impose de bien définir les interactions entre ces couches non adjacentes.
La synchronisation vs l’économie d’énergie
L’objectif concernant la précision de la synchronisation dans les réseaux de capteurs se rajoute donc { d’autres exigences comme l’économie d’énergie, ce qui entraîne une question cruciale: quels seront le temps et l’énergie nécessaires pour atteindre une bonne précision de la synchronisation ? De ce fait, les solutions existantes ne sont plus adaptées pour ce type de réseau, ce qui conduit à trouver des méthodes combinées aux autres, afin de pouvoir garantir les services demandés pour chaque application en utilisant un minimum d’énergie. A ce sujet, dans [51] les auteurs proposent un protocole de synchronisation d’horloge qui est économique en énergie, basé sur l’estimation de l’horloge décalée par rapport à une horloge virtuelle.
Globalement, les méthodes traditionnelles sont basées sur une synchronisation des horloges ; plus précisément, elles peuvent fournir à chaque instant un estampillage temporel très exact pour chaque paquet. Mais, dans les cas où le réseau fonctionne en utilisant plusieurs états pour les capteurs (actif, sommeil, etc.), et où l’interface radio est la seule à détenir une source externe de temps, ces méthodes ne sont plus adaptées. Dans ce contexte, les noeuds qui seront en état de sommeil ne vont plus pouvoir se synchroniser et par conséquent le réseau ne pourra pas assurer une bonne précision de la synchronisation.
Cependant, dans [43], est proposée une solution appelée « post-facto Synchronization » qui se préoccupe, en plus de la synchronisation, de la minimisation de l’énergie consommée ; le principe est basé sur l’idée qu’un message nommé « beacon » est envoyé en broadcast à tous les éléments du réseau, ce paquet étant utilisé par la suite comme une base de temps qui servira pour le recalage ultérieur des noeuds capteurs. Dans la même idée, Tian et al font une proposition de synchronisation cette fois-ci au niveau des couches physique et réseau : ils proposent d’intégrer une horloge idéale au niveau de la couche réseau [44]. Le travail se base sur la création d’un nouveau protocole de synchronisation au niveau réseau, basé sur la méthode de Time-Stamp Broadcast Synchronization (TSBS), qui est capable d’effectuer ses tâches avec moins d’énergie consommée.
Les avancées à propos de ce sujet contradictoire (la synchronisation versus l’économie d’énergie) sont assez récentes [59]. Dans [60] et [61], les auteurs proposent un nouveau système de synchronisation des horloges afin d’optimiser la consommation énergétique et comparent les résultats avec celle du protocole TPSN. Pour répondre à la nécessité des noeuds mobiles de se synchroniser dans un réseau, [62] propose une solution hybride qui intègre les protocoles RBS et TPSN.
Nous avons observé à ce sujet que le protocole PBS est le seul protocole de synchronisation qui, en raison de son « modus operandi », est capable de réaliser des économies d’énergie importantes, hormis ses performances de précision des horloges.
La satisfaction de ces deux besoins, la gestion d’énergie et la synchronisation, n’est pas une tâche facile étant donnés que les critères de performances sont opposés. Plus précisément, pour assurer une bonne synchronisation, le réseau va consommer une quantité importante d’énergie. Par conséquent, il va falloir trouver le compromis qui sera capable de garantir les performances ainsi qu’une longévité du réseau.
L’économie d’énergie
Une grande partie de la discussion précédente montre que l’énergie est une ressource précieuse dans les réseaux de capteurs sans fil et que l’efficacité énergétique doit être un objectif évident d’optimisation [45].
Dans de nombreux scénarios, les noeuds capteurs devront compter sur un approvisionnement limité en énergie (la batterie). Le remplacement de ces sources d’énergie sur le terrain n’est généralement pas facile, et dans le même temps, un réseau de capteurs sans fil doit fonctionner aussi longtemps que possible. Par conséquent, la durée de vie d’un WSN devient un aspect crucial.
Comme alternative { l’approvisionnement énergétique, une source d’alimentation via des cellules solaires, par exemple, pourrait être envisagée sur un noeud capteur. Typiquement, ces sources ne sont pas assez puissantes pour assurer un fonctionnement continu, mais peuvent fournir une certaine recharge des batteries et dans ces conditions, la durée de vie du réseau pourrait être améliorée. Mais en fonction du contexte, cette alternative n’est pas physiquement réalisable (le manque de luminosité par exemple), ce qui impose de trouver d’autres solutions, comme des stratégies basées sur le calcul informatique ou une conception de type cross-layer.
Une autre méthode permettant un gain considérable en consommation d’énergie est d’éteindre l’interface de communication quand celle-ci n’est pas utilisée. Mais, il ne faut pas oublier que la taille des paquets échangés dans un réseau de capteurs est petite. Dans ces conditions, si l’interface de communication est éteinte pour chaque période de passivité, la quantité d’énergie consommée va être plus importante que si l’interface était laissé allumée en continu [37].
Un autre aspect à ne pas oublier est la puissance de rayonnement de l’émetteur-récepteur. L’augmentation de cette puissance augmente l’énergie consommée par bit, donc le SNR (Signal to Noise Ratio), et diminue ainsi le taux d’erreur binaire et le besoin de retransmissions. Ebert et Wolisz [38] montrent que pour un réseau ad hoc avec un seul saut, nous avons une puissance d’émission plus optimale si nous utilisons des mécanismes d’harmonisation de l’énergie rayonnée, pour une longueur de trame donnée. Dans [46], une solution de contrôle pour la transmission d’énergie pour les noeuds capteurs est proposée afin de prolonger la durée de vie du réseau, sans affecter la fonctionnalité du système.
Par contre, dans un grand réseau de communications multi-sauts, les choses vont être différentes. Si un noeud augmente sa puissance d’émission, il augmente aussi le risque des interférences avec ses voisins et donc aussi le taux d’erreur binaire qu’ils ont à traiter. Ce phénomène s’appelle surcoût ou « overhearing », qui conduit au final à une importante perte d’énergie.
Dans le but d’assurer différentes fonctionnalités comme la connectivité ou l’évitement de collisions, la plupart des protocoles MAC intègrent des boucles de contrôle, qui envoient périodiquement des messages spécifiques. Cette surcharge représente une source de consommation d’énergie additionnelle qui réduit la vie du système. Il n’y a même pas un compromis à faire, car renoncer à de telles fonctionnalités peut conduire à la fin de vie du réseau. La meilleure stratégie dans cette situation serait d’intégrer ce trafic de surcharge dans le trafic utile.
Topologie dynamique et passage à l’échelle
Dans un WSN, où les noeuds sont généralement déployés de manière redondante pour pouvoir se protéger contre les possibles défaillances ou pour compenser une « mauvaise qualité » offerte par un seul équipement de détection, l’identité propre d’un noeud capteur devient sans importance. Ce qui est important, ce sont les données en elles-mêmes. Par conséquent, le passage d’un paradigme centré sur l’adresse à un autre basé sur les données est plus pertinent dans la conception de protocoles pour WSNs.
Dans un WSN, le nombre de noeuds par unité de surface (densité du réseau) peut varier considérablement. Et au sein de la même application, la densité peut varier dans le temps et dans l’espace, car les noeuds deviennent défaillants ou se déplacent. Par conséquent, le réseau doit s’adapter { ces variations. Dans [4] par exemple, la densité moyenne des noeuds capteurs dans un réseau est estimée à environ 20 capteurs/m3.
Finalement, une manière fixe de traiter l’information est insuffisante dans un réseau de capteurs. Il sera donc nécessaire pour les noeuds, non seulement de traiter les informations, mais aussi de réagir avec souplesse sur les changements de leurs tâches. Les noeuds doivent être programmables, et leur programmation doit être modifiable en cours de fonctionnement lorsque de nouvelles tâches deviennent importantes.
Sachant que l’environnement et les WSNs eux-même peuvent évoluer en temps (l’épuisement des piles, des noeuds défaillants, de nouvelles tâches { accomplir), le système doit s’adapter. Il doit surveiller son propre fonctionnement et pouvoir modifier les paramètres d’exploitation ou faire différents compromis (par exemple, fournir une qualité inférieure lorsque les ressources énergétiques diminuent). Dans cette situation, le réseau doit s’autogérer et également être en mesure d’interagir avec les mécanismes externes de maintenance pour assurer son fonctionnement prolongé avec une qualité satisfaisante pour l’application [86].
Comme la richesse des options d’une interface générale pour les réseaux de capteurs sans fil est vaste, les architectures et les protocoles utilisés doivent être en mesure de passer à l’échelle (ou l’agrandissement du réseau) et pouvoir fonctionner dans beaucoup de conditions différentes.
Ainsi, trois éléments clés vont émerger : la concentration des données, les compromis par rapport à l’énergie et la précision de la synchronisation des données, ce qui rend encore une fois ces réseaux différents des autres. Il n’est donc pas surprenant que toutes les problématiques ne soient pas encore totalement résolues.
Ce sont ces problèmes qui vont être abordés dans les chapitres suivants, dans le but d’être améliorés. Mais tous d’abord, nous allons nous intéresser dans la section ci-dessous aux méthodes d’évaluation existantes, qui vont nous permettre de réaliser une meilleure analyse des performances et ainsi une optimisation du système.
Description de notre réseau d’instrumentation et de mesures
Dans l’optique de concevoir un système de communication pour les réseaux d’instrumentation sans fil, nous nous baserons sur les besoins d’une telle application.
C’est le cas du projet SACER (Système Autonome Communicant Embarqué en Réseau) qui a pour but principal de mettre au point un réseau de capteurs sans fil de pression et de température. Plus précisément, il s’agit de concevoir un système autonome multi capteurs, d’acquisition et de traitement avec mémorisation et communicant { travers un réseau sans fil pour la mesure embarquée, adapté aux contraintes aéronautiques.
Pendant la période des essais en vol, les avions sont aujourd’hui instrumentés par un ensemble de capteurs de pression et de température filaires permettant d’établir une cartographie des écoulements d’air sur les ailes. Ces capteurs doivent être packagés dans des sortes de « gants » collés { l’aile et reliés { la cabine par des torons de câbles. Ainsi les ailes sont percées afin de faire circuler ces câbles, avec tous les risques de modification de la structure que cela entraîne. Les contraintes du projet SACER découlent principalement de cet application, c’est { dire un faible encombrement (moins de 2mm d’épaisseur), une résistance à des températures extrêmes, etc.
Spécification des besoins
Pour développer une application informatique quelconque, il est primordial de cibler les besoins des futurs utilisateurs dès le départ, étape identifiée lors de la phase de spécification. En effet, cette étape consiste à effectuer une analyse détaillée des exigences, qui sont nécessaires pour le développement de l’architecture { concevoir.
Pour notre application, les besoins des utilisateurs sont nombreux, ce qui nous a permis d’identifier les éléments suivants :
Définir la pile des protocoles de communication et leur implémentations ;
Assurer la communication entre les différents éléments du réseau (concentrateur, routeurs, noeuds) ;
Réduire le taux de perte des données échangées ;
Mettre en oeuvre un système capable de gérer la qualité de service du réseau ;
Proposer des mécanismes pour économiser l’énergie ;
Garantir une bonne synchronisation de la totalité du système ;
Concevoir une architecture simple et flexible.
Tous ces éléments doivent être pris en compte dans l’architecture globale du système, soit comme des mécanismes intégrés dans la pile de communication, soit en tant que protocoles définis pour résoudre une tâche spécifique.
Analyse préliminaire du système
Notre système de communication est un réseau « fixe » pour lequel le nombre de capteur est connu. Il est donc possible d’optimiser les protocoles et cette optimisation passe par des échanges. Par conséquent, nous avons pour charge de résoudre tous les points durs qui représentent des aspects de recherche.
La première étape dans le processus de développement des applications est la phase d’analyse, qui permet d’identifier les principaux besoins opérationnels et fonctionnels du système. Cette analyse consiste aussi à définir les acteurs ainsi qu’{ spécifier les différents cas d’utilisation.
Notre but est donc de décrire les fonctions détaillées du système SACER avec des diagrammes des cas d’utilisation d’UML, { l’aide de l’outil open source TOPCASED34. Cette technique permet de décrire sous la forme d’actions et de réactions le comportement d’un système, du point de vue utilisateur. Elle apporte une solution au problème de la détermination et de la compréhension des besoins [100].
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Table des matières
Notations
Introduction Générale
I CONTEXTE ET MOTIVATIONS
I.1 Introduction sur les réseaux de capteurs sans fil
I.1.1 Généralités
I.1.2 Réseaux de capteurs sans fil
I.1.2.1 Mise en oeuvre
I.1.2.2 Déploiement
I.1.2.3 Exemple d’applications des WSNs
I.1.3 Le noeud capteur
I.1.3.1 Composants matériels et logiciels
I.1.3.2 Modules de noeuds capteurs existants
I.1.3.3 La pile protocolaire
I.2 Principales caractéristiques d’un WSN
I.2.1 Les réseaux traditionnels vs les WSNs
I.2.1.1 Typologie des réseaux sans fil
I.2.1.2 Les principales normes de communication sans fil
I.2.1.3 Protocoles de communication pour les WSNs
I.2.2 La limitation en énergie pour un WSN
I.2.3 La mobilité
I.3 Optimisation et paramètres de performances
I.3.1 L’optimisation { travers les principes du cross-layer
I.3.2 Les principaux paramètres de performances
I.3.2.1 La gestion du réseau
I.3.2.2 La synchronisation
I.3.2.3 La synchronisation vs l’économie d’énergie
I.3.2.4 L’économie d’énergie
I.3.2.5 Topologie dynamique et passage { l’échelle
I.4 Evaluation des WSNs
I.4.1 Etude des outils disponibles
I.4.2 Justification de notre choix
I.5 Objectifs de notre recherche
I.5.1 Présentation générale de notre application
I.5.2 Le choix de la topologie
I.5.3 Le besoin de synchronisation
I.5.4 Le besoin d’économie d’énergie
I.6 Conclusion
II CONCEPTION ET MODELISATION D’UN RESEAU D’INSTRUMENTATION ET DE MESURES SANS FIL
II.1 Introduction
II.2 Description de notre réseau d’instrumentation et de mesures
II.2.1 Topologie du réseau
II.2.2 Méthodologie et choix de technologies
II.2.3 Spécification des besoins
II.2.4 Analyse préliminaire du système
II.2.5 Conception du système
II.2.5.1 Description des couches liaison de données et physique
II.2.5.2 Description de la couche réseau
II.2.5.3 Description de la couche Applicative
II.3 Description de la plateforme matérielle
II.3.1 Carte Wisair Wireless USB PCI Express Mini
II.3.2 Carte NI PCI-1588
II.3.3 Plateforme ML410
II.4 Modélisation sur NS-2
II.4.1 Eléments de base de la simulation en NS-2
II.4.2 Les principales contributions en NS-2
II.4.2.1 Implémentation de notre topologie réseau
II.4.2.2 Proposition d’utilisation d’interfaces multiples
II.5 Conclusion
III PROPOSITION D’UN NOUVEAU PROTOCOLE DE SYNCHRONISATION
III.1 Introduction
III.2 Problématique de la synchronisation
III.2.1 Stratégies possibles
III.2.2 Analyse
III.2.3 Bilan
III.2.4 Le standard IEEE-1588
III.2.5 Le protocole de synchronisation PBS
III.3 Présentation de la contribution: l’IEEE1588-PBS hybride
III.3.1 Algorithme et fonctionnement
III.3.2 Intégration dans notre cas d’étude
III.3.3 L’impact sur la consommation d’énergie
III.4 Implémentation et mise en oeuvre
III.4.1 Conditions pratiques de mise en oeuvre
III.4.2 Les étapes d’implémentation dans le simulateur NS-2
III.4.2.1 L’intégration du modèle d’horloge interne
III.4.2.2 La phase d’implémentation d’IEEE-1588
III.4.2.3 La phase d’implémentation d’IEEE1588-PBS hybride
III.5 Conclusion
IV LES ANTENNES DIRECTIVES DANS LES RESEAUX DES CAPTEURS SANS FIL
IV.1 Introduction
IV.2 L’impact des antennes directives sur les différentes couches de communication
IV.2.1 Introduction
IV.2.2 Concepts de base
IV.2.3 Propositions pour l’utilisation d’antennes directives
IV.2.3.1 Solutions existantes pour la couche MAC
IV.2.3.2 Les principaux protocoles de routage
IV.3 L’applicabilité dans une catégorie large de réseaux sans fil
IV.4 Principe et implémentation de notre solution
IV.4.1 Proposition d’architecture d’antennes directives
IV.4.2 L’implémentation de notre solution
IV.5 Conclusion
V SIMULATIONS ET EXPERIMENTATIONS
V.1 Introduction
V.2 Topologie : choix et validation
V.2.1 Objectif : déterminer la meilleure topologie du système
V.2.2 Intégration des interfaces multiples
V.2.3 Synthèse
V.3 La synchronisation vs. l’économie d’énergie
V.3.1 Evaluation des solutions existantes
V.3.1.1 Description de la plateforme
V.3.1.2 Etudes sur les performances de synchronisation
V.3.1.3 Conclusion
V.3.2 Notre proposition de synchronisation. Analyse comparative des performances
V.3.2.1 La précision de la synchronisation
V.3.2.2 Evaluation de la consommation d’énergie
V.3.3 Conclusion
V.4 La directivité des antennes vs. l’économie d’énergie
V.4.1 Analyse comparative des performances
V.4.2 Conclusion
V.5 Synthèse générale
Conclusion Générale et Perspectives
Bibliographie
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