Soutenance mémoire
Architecture d’un nœud de capteurs sans fil
Un nœud de capteurs est un dispositif électronique chargé de collecter les informations captées à partir de l’environnement qui l’entoure, les traiter ensuite les transmettre à une destination tout en consommant une certaine énergie [7]. Il est composé d’une unité d’acquisition de données, unité de traitement, unité de transmission, une batterie, et éventuellement d’un système de rechargement de batteries ou un système de localisation.
• Unité d’acquisition : Cette unité est composée de deux unités : des capteurs qui sont capables de mesurer les variations des caractéristiques physiques de leur environnement, et des convertisseurs analogique-numérique (ADC) 1; qui sont chargés de convertir ces variations en signaux numériques afin de pouvoir être traitées par l’unité de traitement.
• Unité de traitement : Elle possède deux interfaces ; une pour l’unité d’acquisition et l’autre pour l’unité de transmission. Elle se compose d’une unité de stockage et d’un processeur. Elle traite les informations acquises à partir de l’unité d’acquisition et les envoie à l’unité de transmission.
• Unité de transmission : Elle est responsable de toutes les émissions et les réceptions via un support de communication radio qui permet aux capteurs de communiquer entre eux.
• Batterie : C’est une source d’énergie par laquelle tous les composants du capteur sont alimentés. Elle correspond généralement à une pile ou une batterie qui s’épuise par le temps. La consommation d’énergie est devenue un facteur critique que doit prendre en compte toutes les applications de capteurs due aux limitations des ressources énergétiques des nœuds. Pour résoudre le problème d’énergie une réalisation récente d’une unité d’alimentation en utilisant des panneaux solaires [9,10]. Cependant, ce problème persiste puisqu’on n’a pas toujours la possibilité de s’alimenter en énergie solaire. D’où, dans presque tous les travaux de recherche on traite la problématique concernée conjointement avec la consommation d’énergie. Il existe des capteurs qui sont dotés d’un système de localisation tel que le GPS (Global Positioning System) pour être repérer ou pour repérer les capteurs qui se trouvent dans leur voisinage.
La durée de vie du réseau
La vie d’un RCSF dépend de la période de temps durant laquelle le réseau est opérationnel et elle est liée à la vie nodale c’est-à-dire à la vie des nœuds capteurs qui le constituent puisque la quantité dominante d’énergie consommée par un nœud capteur correspond à la détection, la communication et le traitement de données [13]. Plusieurs définitions ont été proposées dans la littérature pour la durée de vie d’un RCSF. Par exemple dans [14–18], les auteurs ont supposé que la durée de vie d’un RCSF représente le temps pendant lequel le premier nœud épuise son énergie complètement, et dans [19,20], cette durée coïncide avec le temps pendant lequel le premier cluster-head (CH) épuise toute son énergie alors que dans [21], c’est la période pendant laquelle tous les capteurs épuisent leur énergie.
Architecture protocolaire
Elle peut être utilisée par la station de base ou bien par les nœuds capteurs. Elle est constituée de cinq couches : une couche d’application, une couche de transport, une couche réseau, une couche de liaison de données et une couche physique, et de trois plans : un plan de gestion d’énergie, un plan de gestion de mobilité et un plan de gestion des tâches [36]. La figure 1.5 illustre les différentes couches et les différents plans dans la pile protocolaire. Cette pile [7] combine l’énergie et le routage, associe les données avec les protocoles actifs au niveau de la couche réseau et communique via un support sans fil. Les plans de gestion d’énergie, de mobilité et des tâches contrôlent et gèrent la consommation d’énergie, les mouvements et la répartition des tâches d’un capteur. Ces plans aident les nœuds à collaborer et partager les ressources entre eux, et aussi à équilibrer la consommation d’énergie pour prolonger la durée de vie du réseau. La communication dans les réseaux de capteurs nécessite la mise en place d’un protocole de routage afin de gérer les transmissions de données effectuées par les capteurs pour atteindre la station de base. Cette gestion n’est pas facile car la topologie d’un réseau de capteurs est dynamique : un nœud capteur pourrait devenir inaccessible quand il épuise sa batterie ou détériore ses capacités de communication à cause des conditions environnementales. Les protocoles de routage doivent utiliser des mécanismes permettant d’une part de minimiser la consommation d’énergie et d’autre part garantir la fidélité de routage c’est-à-dire entre tout nœud capteur et la station de base il devrait exister au moins un chemin.
La panne des nœuds
Un nœud est composé de plusieurs composants matériels et logiciels qui peuvent produire des dysfonctionnements à cause d’un épuisement de la batterie, une destruction physique, ou même coté logiciel puisqu’un capteur peut fournir des lectures erronées. Par exemple dans [39–41], des expériences ont été menées pour tester la robustesse des capteurs quand ils sont en contact direct avec de l’eau. Les résultats ont montré que les capteurs sont devenus défaillants à cause des courts-circuits. Dans [42], les capteurs ont été dispersés dans un champ de pommes de terre et durant leur déploiement les chercheurs ont découvert que de temps en temps des signaux erronés sont envoyés à cause de la fragilité des antennes. En outre, si le niveau de la batterie d’un nœud devient faible alors ses composants ne peuvent plus fonctionner correctement.
La panne de la station de base
A un niveau supérieur du réseau, un dispositif (station de base) qui recueille toutes les données générées dans le réseau est également sujet à des pannes de ses composants. Lorsque ce dispositif échoue une défaillance massive du réseau se produit puisque les données collectées par les nœuds capteurs ne sont pas accessibles sauf si des mesures de tolérance aux pannes sont présentes.La station de base peut être déployée dans des zones où aucune alimentation permanente n’est présente. Dans certaines applications les batteries sont dotées de cellules solaires pour être alimentées [39, 42, 46] alors que dans la plupart des applications telles que l’expédition glaciaire rapportée dans [39], cette technique traditionnelle s’est avérée inefficace. Bien que cela ait fonctionné parfaitement dans d’autres applications, dans cet environnement glaciaire la station de base a subi une panne de courant en raison de la neige couvrant les cellules solaires pendant plusieurs jours.
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Table des matières
Introduction générale
1 Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF)
1.1 Introduction
1.2 Un réseau de capteurs sans fil
1.2.1 Architecture d’un nœud de capteurs sans fil
1.2.2 Les caractéristiques liées aux nœuds capteurs
1.3 Les différents facteurs de conception d’un RCSF
1.3.1 La durée de vie du réseau
1.3.2 La tolérance aux pannes
1.3.3 Topologie du réseau
1.3.4 La consommation d’énergie
1.3.5 La sécurité
1.4 Domaines d’application des RCSF
1.4.1 Application militaire
1.4.2 Application à la surveillance
1.4.3 Application environnementale
1.4.4 Application médicale
1.4.5 Application domotique
1.5 Technologies de communication dans les RCSF
1.5.1 Buetooth / IEEE 802.15.4
1.5.2 Zigbee
1.5.3 Dash7-ISO/IEC 18000-7
1.6 Architecture protocolaire
1.7 La tolérance aux pannes dans les RCSF
1.7.1 Les pannes
1.7.2 La classification des pannes
1.7.3 Les sources de pannes dans des applications réelles des RCSF
1.7.4 La détection des pannes
1.7.5 Diagnostic des pannes
1.7.6 Tolérance aux pannes
1.8 Les techniques de tolérance aux pannes dans les RCSFs
1.8.1 Algorithme préventif
1.8.2 Algorithme curatif
1.8.3 La qualité de lien
1.8.4 Le routage multi-chemins
1.8.5 Retransmission
1.8.6 Réplication
1.9 Conclusion
2 Etat de l’art de la tolérance aux pannes dans les RCSF
2.1 Introduction
2.2 Classification des protocoles de routage
2.2.1 Les protocoles de routage plats
2.2.2 Les protocoles de routage hiérarchiques
2.2.3 Les protocoles basés sur la localisation (location-based)
2.3 Les causes des pannes
2.4 Les protocoles de routage tolérants aux pannes
2.4.1 Les protocoles de routage plats tolérants aux pannes
2.4.2 Les protocoles de routage hiérarchiques tolérants aux pannes
2.5 Comparaison entre les protocoles de routage
2.6 Le protocole de routage hiérarchique LEACH et ses descendants
2.7 Conclusion
3 Une nouvelle version tolérante aux pannes du protocole LEACH pour les RCSF
3.1 Introduction
3.2 Motivations
3.3 Contribution 1
3.3.1 La première phase (setup phase)
3.3.2 La deuxième phase (steady phase)
3.4 Contribution 2
3.5 Avantages et inconvénients de la version améliorée de LEACH
3.6 Simulation et évaluation
3.7 Conclusion
4 Une nouvelle version de LEACH pour un environnement nonidéal
4.1 Introduction
4.2 Préliminaires
4.2.1 Notations et hypothèses
4.2.2 Le modèle radio
4.3 Contribution
4.3.1 Evaluation de LEACH dans un environnement réaliste
4.3.2 Protocole proposé : le protocole FTLR
4.4 Les résultats de simulation
4.4.1 Le taux de perte de paquets
4.4.2 La consommation d’énergie
4.5 Conclusion
5 Conception d’un protocole de routage basé sur la qualité des liens pour les RCSF
5.1 Introduction
5.2 Préliminaires et hypothèses
5.2.1 Hypothèses
5.2.2 Les causes de l’irrégularité de la radio
5.2.3 Les modèles radio
5.2.4 Le modèle de panne
5.3 Contribution
5.3.1 Evaluation de LEACH
5.3.2 Protocole de routage basé sur la qualité des liens
5.3.3 Evaluation des performances
5.4 Conclusion
Conclusion générale et Perspectives
Bibliographie personnelle
Bibliographie
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