Soutenance mémoire
Les stratégies de routages des données dans les réseaux de capteurs
Les réseaux de capteurs sont des systèmes sans fil à commutation de paquets. Ils partagent de nombreuses propriétés avec les autres réseaux, et sont particulièrement similaires à MANET dans de nombreux aspects (par exemple, l’auto-organisation, les sauts multiples et l’absence d’une infrastructure) [21 ,22] . Le choix d’une stratégie de routage pour un réseau de capteurs dépend de plusieurs contraintes comme l’environnement de propagation, la capacité des noeuds et les exigences de l’application de détection [9,10]. Afin de créer un bon cadre d’ intégration des applications, la conception efficace d’un réseau de capteurs est liée à plusieurs paramètres tels que:
~ Livraison en temps réel : Certaines applications nécessitent que le message soit livré dans un délai bien déterminé, sinon le message devient inutile après la limite de temps. Par conséquent, l’objectif principal de ces protocoles est de contrôler complètement la latence du réseau [13]. Les performances des protocoles de routage peuvent être évaluées en comparant le temps moyen de livraison avec les contraintes temporelles.
~ Durée de vie du réseau: l’application doit s’exécuter au lllveau des noeuds de capteurs aussi longtemps que possible. Par conséquent, les protocoles visant cette préoccupation tentent d’équilibrer la consommation d’énergie de manière égale entre les noeuds en prenant en compte leurs niveaux d’énergie résiduelle [3]. Cependant, la métrique utilisée pour déterminer la durée de vie du réseau dépend aussi de l’ application. La plupart des protocoles considèrent que la durée de vie du réseau est la période de temps jusqu’à ce que le premier noeud meure.
L’efficacité énergétique est une préoccupation majeure dans les réseaux de capteurs. En effet, les difficultés rencontrées en raison des ressources énergétiques limitées et la bande passante réduite dans un RCSF lors de la gestion du réseau nécessitent l’ optimisation de la consommation de l’énergie à tous les niveaux de la pile de protocole du réseau [19]. Pour offrir une gestion efficace de l’énergie dans un RCSF, la couche réseau offre un meilleur moyen qui assure un relais des données fiable et une faible consommation d’énergie au sein d’un réseau, ce qui peut aider à maximiser la durée de vie du réseau. La plupart des techniques de routage RCSF dépendent des informations de localisation de noeuds de capteurs pour l’estimation de la distance entre le noeud émetteur et le noeud récepteur. Par exemple, pour détecter une région connue, grâce à l’utilisation de la sonde de localisation, une requête spécifique peut être envoyée à cette région connue et cela permettra de réduire de manière significative les données transmises en comparaison à une requête de diffusion envoyée à l’ensemble du réseau [10,19].
En d’autres termes, le protocole basé sur la localisation utilise les informations de position pour transmettre les données vers les régions souhaitées, plutôt que l’ensemble du réseau. Dans [11], les auteurs ont conçu un réseau de capteurs sans fil installé dans les véhicules permettant de localiser les véhicules proches sur la route et d’ éviter les collisions dans les routes rurales. Un algorithme basé sur la position des véhicules pour transmettre les données entre les véhicules est proposé. Cependant, les auteurs n’ont pas présenté une implémentation de cet algorithme dans un environnement réaliste. D’ autres algorithmes de routage consistent à diviser la zone de couverture en plusieurs régions en se basant sur l’idée de sélectionner des niveaux de puissance d’émission appropriés pour garantir la connectivité du réseau, tout en économisant l’ énergie[5] .
Le routage mufti-saut classique
La transmission des données d’un noeud source vers la station de base peut se faire directement ou à travers des noeuds. Dans le cas de la transmission directe vers la station de base, le noeud augmente la puissance d’émission pour atteindre la station de base et établir la communication, ce qui affecte de façon importante le niveau d’énergie restant [2,4]. Si la station de base est loin des noeuds de capteurs, les noeuds de capteur vont épuiser leurs batteries rapidement, ce qui va diminuer la durée de vie du réseau. Pour prolonger la durée de vie du réseau, il est nécessaire de concevoir de nouvelles approches pour un réseau de capteurs qui peuvent atteindre une forte robustesse tout en gardant une consommation d’énergie faible. Des travaux de recherche récents [3,4] ont montré que plusieurs noeuds peuvent collaborer pour améliorer la fiabilité du réseau et réduire la consommation d’énergie en utilisant la nature de ia diffusion du sans fil et la répartition spatiale des noeuds de capteurs.
Une telle stratégie est généralement appelée communication coopérative [5]. Dans la transmission directe, la transmission de paquets s’effectue entre le noeud source et la station de base, tandis que les autres noeuds voisins peuvent être mis en état de veille pour économiser l’énergie. En choisissant un noeud pour le relais des données à partir d’un ensemble de candidats, la transmission coopérative permet de réduire considérablement l’énergie requise pour une transmission de données avec succès [2] . Chaque noeud agit comme un routeur pour acheminer un paquet reçu à partir d’un voisin à un autre. Cette technique permet de réduire l’énergie d’émission parce que la distance entre les noeuds est plus courte que la distance entre le noeud source et la station de base. La conce}?tion de transmission des données dans un réseau de capteurs est un problème difficile à gérer. En effet, la transmission coopérative consiste à exploiter d’ autres noeuds pour atteindre la station de base comme illustrée à la figure 2.6.
Cependant, au mOInS un noeud de relais doit être maintenu actif, ce qUI pourrait accroître la consommation d’énergie. Par conséquent, l’ efficacité énergétique du mode de transmission pour une transmission de paquets avec succès dépend de la répartition des noeuds et l’environnement de propagation. Dans une topologie linéaire semblable à celle d’un réseau de capteurs conçu pour un train, la transmission coopérative dépend essentiellement de la distance entre deux noeuds consécutifs afin de réduire le nombre de sauts vers la station de base. Pour réduire le nombre de sauts vers la station de base, une autre approche de la transmission coopérative consiste à diminuer le nombre des noeuds de relais en levant la puissance d’émission pour atteindre un noeud de capteur à une distance D fixe du noeud source contrairement à l’approche classique qui transmet les données vers le noeud le plus proche. Cette approche de routage permet de diminuer l’ impact de routage multi-saut classique sur la performance du réseau dans une topologie linéaire [26]. Cependant, chaque émission de paquet consomme plus d’énergie ce qui affecte le niveau d’énergie restant des noeuds de capteurs.
Le routage multi-niveau dans les topologies linéaires Bien que, l’IEEE 802.15.4 est largement utilisé dans le domaine ferroviaire pour fournir l’interconnexion entre les capteurs placés dans les wagons, les problèmes de performance sont intensifiés dans la longue topologie en raison de la faible portée de communication de l’IEEE 802.15.4. La transmission coopérative n’est plus une solution efficace puisqu’ elle introduit un nombre important de noeuds intermédiaires, ce qui affecte la performance du réseau en terme de qualité de service (délai de bout en bout, taux de délivrance des paquets) et aussi en terme d’énergie à cause des processus de retransmission [6,20]. Dans le cas d’une topologie réseau linéaire, le routage des données utilise généralement un seul chemin contrairement aux autres approches qui se basent sur plusieurs chemins pour transmettre les données vers la station de base [6,20]. Par conséquent, la défaillance d’un noeud de capteur dans une topologie linéaire peut entrainer la défaillance de la totalité de réseau de capteurs. Dans [20], un nouveau schéma routage multi-niveau est proposé pour réduire l’impact de l’augmentation du nombre de sauts sur la performance du réseau en divisant le train en plusieurs petits segments basés sur le protocole ZigBee et reliés par une autre technologie à longue portée comme illustre la figure 2.7. Cependant, dans leur étude, les auteurs ont examiné un seul capteur par wagon et ils n’ont pas présenté une implémentation de routage multi-niveau dans un environnement réaliste. En outre, le RCSF choisi est basé sur ZigBee avec une topologie en étoile où un coordinateur PAN est obligatoire. L’utilisation de coordinateur de PAN n’est pas recommandée pour les applications d’énergie limitée comme le cas de ce projet.
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Table des matières
Résumé
Avant-propos
Table des matières
Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des symboles
Chapitre 1 – Introduction
1.1 Contexte du projet de recherche :
1.2 Problématique
1.3 Objectifs ..
1.4 Méthodologie
1.5 Organisation du mémoire
Chapitre 2 – Les réseaux de capteurs sans fil
2.1 Introduction
2.2 Les composants d’un capteur
2.2.1 Mémoire
2.2.2 Processeur
2.2.3 Senseur
2.2.4 Bloc d’ alimentation
2.2.5 Unité de communication
2.3 Caractéristique d’un réseau de capteur
2.3 .1 Architecture d’un réseau de capteurs
2.3.2 ~es contraintes dans la conception d’un réseau de capteurs
2.4 Domaines d’application des réseaux de capteurs
2.4.1 Les applications militaires
2.4.2 Les applications de surveillance
2.4.3 La santé
2.4.4 Le Transport
2.5 Les stratégies de routages des données dans les réseaux de capteurs
2.6 Les politiques de routages d’un RCSF dans les trains
2.6.1 Le routage multi-saut classique
2.6.2 Le routage multi-niveau dans les topologies linéaires
2.7 Conclusion :
Chapitre 3 – La conception et l’implémentation des stratégies de routage des données à bord d’un train
3.1 Introduction
3.2 Le modèle réseau
3.2.1 La topologie du réseau
3.2.2 La densification des noeuds
3.2.3 Étude de l’environnement dans les trains
3.3 Environnement de simulation
3.3.1 Le but de la simulation
3.3.2 Les outils de simulations
3.3 .3 Les Paramètres de simulations
3.3.4 La configuration des noeuds
3.4 La caractérisation de l’environnement
3.4.1 Modèle de propagation dans les wagons
3.4.2 Modèle de propagation entre les wagons
3.4.3 Modèle réaliste
3.5 Les Métriques
3.6 Conclusion
Chapitre 4 – Résultats
4.1 Introduction
4.2 Effets des modèles de propagation
4.2.1 Le Débit
4.2.2 Le délai de bout en bout..
4.2.3 Le niveau d’ énergie restant
4.3 Évaluation de performance des protocoles AODV et DSDV
4.3.1 Le débit
4.3.2 Le niveau d’énergie restant
4.3.3 La durée de vie du réseau
4.4 Impact de la densification des noeuds sur la performance de réseau
4.4.1 Le débit
4.4.2 Le délai de bout en bout..
4.5 Comparaison entre le routage classique et routage multi-niveau
4.5.1 Le délai de bout en bout
4.5.2 Le débit
4.5.3 Le niveau d’énergie restant.
4.5.4 Discussion des résultats
4.6 Étude de l’augmentation du nombre de points d’accès
4.6.1 Le débit moyen du réseau
4.6.2 Le délai de bout en bout..
4.6.3 La durée de vie du réseau
4.7 Analyse des résultats
4.8 Conclusion
Chapitre 5 – Conclusion générale
Bibliographie
Annexe A – Les caractéristiques du standard IEEE 802.15.4
Annexe B – Les protocoles de routage dans un RCSF
Annexe C- Installation NS2
Annexe D – Installation Mannasim
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