SAAFA-76-MRRRCH
Optimisation de la consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs sans fil
Organisation de la thèse
La suite de ce manuscrit est organisée en cinq chapitres illustrés dans la figure 0.2 et présentés dans ce qui suit : Le premier chapitre présente d’une manière générale les notions de base sur les réseaux de capteurs sans fil, afin de comprendre les principes de ce type de réseaux, les divers domaines d’applications, les systèmes d’exploitation, les caractéristiques et les facteurs qui influencent la conception de ces réseaux. Nous introduisons aussi quelques contraintes critiques pour ce type de réseau telles que la couverture, la connectivité, la localisation, la communication. Nous donnons une brève description des deux couches importantes qui intéressent le plus les chercheurs dans ce domaine à savoir la couche réseau et la couche MAC. Nous terminons ce chapitre par une classification des réseaux de capteurs sans fil selon différents critères. Le deuxième chapitre est consacré à la contrainte la plus importante dans les réseaux de capteurs sans fil, qui est la contrainte d’énergie. Ce chapitre est composé de deux parties. La première partie est dédiée à la consommation d’énergie dans les RCSF, nous décrivons le modèle de la consommation d’énergie au niveau des différents composants d’un nœud capteur et les différentes formes de gaspillage d’énergie. Dans la deuxième partie nous dresserons un état de l’art par axe sur les travaux réalisés qui visent l’optimisation de la consommation d’énergie. Le troisième chapitre présente les réseaux de capteurs sans fil mobile. Il est aussi composé de deux parties. Dans la première nous détaillons les RCSFM. Nous citons les limites des RCSF statiques qui ont permis l’apparition des RCSFM, les défis et les objectifs de ces derniers. Nous présentons les modèles de mobilité dans ce type de réseau, les stratégies de mobilité et les méthodes de collecte de données. Dans la deuxième partie de ce chapitre, nous rappelons quelques travaux qui visent à optimiser la consommation d’énergie dans les RCSFM. Le quatrième chapitre détaille notre première contribution dans le cadre de cette thèse. Nous présentons notre programme linéaire en variables 0-1. Nous décrivons successivement : les paramètres, les variables, les contraintes et la fonction objectif du programme linéaire en variable 0-1 de base ainsi que le modèle réseau. Nous détaillons successivement les différentes augmentations qui peuvent être ajoutées à notre programme linéaire en variable 0-1 de base. Introduction générale 21 Nous donnons par la suite les résultats d’expérimentations réalisées pour la validation de notre modèle. Le cinquième chapitre présente notre deuxième contribution qui représente l’optimisation de la collecte de données dans les RCSFM organisés en Clusters. Nous présentons dans un premier temps les courbes remplissant l’espace, parmi ces courbe nous détaillons la courbe de Hilbert/Moore que nous avons adoptée pour générer la trajectoire (ou la tournée) de collecte de données par le Sink mobile et qui passe par les Clusters via les point de séjours déterminés par la première contribution. Une étude comparative est présentée à la fin de ce chapitre pour montrer l’efficacité de cette courbe dans le contexte de la démarche d’optimisation mixte proposée.
Généralités sur les réseaux de capteurs sans fil
Capteur : Un capteur est un élément actif réalisant des mesures physiques et capable de· communiquer avec ces pairs [12] . « A sensor is a device that produces a measurable response to a change in a physical condition such as temperature or in a chemical condition such as concentration» [13]. Généralité sur les réseaux de capteurs sans fil 24 Réseau de capteurs sans fil (RCSF) : Les réseaux de capteurs sans fil utilisent un· grand nombre de dispositifs très petits, nommés « nœuds capteurs », pour former un réseau sans infrastructure. Dans ces réseaux, chaque nœud est capable de détecter son environnement et de traiter l’information au niveau local ou de l’envoyer à un ou plusieurs points de collecte appelés Sink, à l’aide d’une connexion sans fil [12]. « A wireless sensor network consists of a large number of sensors, each of which are physically small devices, and are equipped with the capability of sensing the physical environment, data processing, and communicating wirelessly with other sensors » [1]. 3 Réseaux de capteurs sans fil vs réseaux Ad-hoc Les RCSF partagent quelques similitudes avec les réseaux ad-hoc comme la communication multi-sauts. Cependant, plusieurs distinctions importantes peuvent être citées. Les réseaux adhoc supportent typiquement le routage entre n’importe quelle paire de nœuds tandis que les RCSF possèdent un modèle de communication bien précis. Le trafic dans les RCSF peut être classifié en trois catégories distinctes : Plusieurs à un (many to one) : Plusieurs nœuds capteurs envoient des messages à une§ station de base ou à un point d’agrégation dans le réseau. Un à plusieurs (one to many) : Un seul nœud (typiquement une station de base)§ diffuse une requête ou une information de contrôle à plusieurs nœuds capteurs. Communication locale : Les nœuds voisins envoient des messages de localisation et de§ coordination. Un nœud peut diffuser des messages à tous ces nœuds voisins ou envoyer un message destiné à un seul voisin. Les nœuds dans les réseaux Ad-hoc ont généralement des ressources rechargeables. Par contre les nœuds capteurs dans un RCSF ont des ressources très limitées en termes de stockage, de traitement, d’énergie et de communication. La contrainte d’énergie est la plus importante, car après le déploiement, les RCSF sont conçus pour être autonomes pendant de longues périodes et la recharge ou le remplacement de la batterie est en général impossible. Généralité sur les réseaux de capteurs sans fil 25 4 Caractéristiques des réseaux de capteurs sans fil Selon [1], ces réseaux sont caractérisés par : L’absence d’infrastructure.Ø Topologie dynamique à cause des changements fréquents (ajout, déplacement,Ø suppression des nœuds capteurs à cause des défaillances, telles que l’épuisement de la batterie ou autre). Pour cela, les nœuds capteurs doivent s’auto-organiser. On distingue généralement trois phases dans la mise en place et l’évolution d’un réseau : Déploiement : Les nœuds sont soit répartis de manière prédéfinie soit de· manière aléatoire (lancés en masse depuis un avion). Il faut alors que ceux-ci s’organisent de manière autonome. Post-Déploiement – Exploitation : Durant la phase d’exploitation, la topologie· du réseau peut être soumise à des changements dus à des modifications de la position des nœuds ou bien à des pannes. Redéploiement : L’ajout de nouveaux capteurs dans un réseau existant implique· aussi une remise à jour de la topologie. Contrainte d’énergie : Dans plusieurs applications, les nœuds capteurs sont placésØ dans des surfaces distantes, dans ce cas la durée de vie du nœud peut être déterminée par la durée de vie de la batterie. Ce qui exige la minimisation des dépenses énergétiques. C’est cette contrainte qui nous intéresse le plus dans ce travail
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Table des matières
Résumé
Abstract
Remerciements
Table des matières
Liste des figures
Liste des abréviations
Introduction générale
1 Contexte
2 Problématique et motivation
3 Contributions
4 Organisation de la thèse
Partie 01 : Etat de l’art
Chapitre 1 : Généralités sur les réseaux de capteurs sans fil
1 Introduction
2 Définitions
3 Réseaux de capteurs sans fil vs réseaux Ad-hoc
4 Caractéristiques des réseaux de capteurs sans fil
5 Facteurs influençant la conception des réseaux de capteurs sans fil
6 Système d’exploitation pour les réseaux de capteurs sans fil
7 Domaines d’application
8 Communication dans les réseaux de capteurs sans fil
9 Couverture et connectivité dans les réseaux de capteurs sans fil
10 Localisation des nœuds capteurs
11 La couche MAC dans les réseaux de capteurs sans fil
12 La couche réseau dans les réseaux de capteurs sans fil
13 Clustering dans les réseaux de capteurs sans fil
14 Classification des réseaux de capteurs sans fil
15 Conclusion
Chapitre 2 : Optimisation de la consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs sans fil
1 Introduction
2 Consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs sans fil
2.1 Modèle pour la consommation d’énergie
2.2 Calcul de l’énergie pour un chemin
2.3 Etat d’un noeud capteur
2.4 Sources de surconsommation d’énergie
2.5 Durée de vie d’un réseau de capteurs sans fil
3 Techniques d’économie d’énergie dans les réseaux de capteurs sans fil
3.1 Optimisation au niveau du module radio
3.2 Réduction des données
3.3 Protocole MAC à économie d’énergie
3.4 Routage à économie d’énergie
3.5 Rechargement de la batterie
3.6 Mobilité
3.7 Optimisation au niveau du module de capture
3.8 Approches inter-couches
4 Conclusion
Chapitre 3 : Mobilité pour l’optimisation de la consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs
sans fil
1 Introduction
2 Mobilité dans les réseaux de capteurs sans fil
2.1 Limites des réseaux de capteurs sans fil statiques
2.2 Objectifs de la mobilité dans les réseaux de capteurs sans fil
2.3 Défis des réseaux de capteurs sans fil mobiles
2.4 Rôles des nœuds dans un réseau de capteurs sans fil Mobile
2.5 Modèles de mobilité
2.5.1 Modèles de mobilité d’entité
2.5.2 Modèles de mobilité de groupe
2.6 Stratégie de la mobilité du Sink pour la collecte de données
3 Méthodes d’optimisation
3.1 Méthodes exactes
3.2 Méthodes approchées
4 Techniques d’optimisation pour l’économie d’énergie dans les réseaux de capteurs sans fil
mobiles
Table des matières
4.1 La mobilité des nœuds capteurs
4.2 La mobilité des nœuds relais
4.3 La mobilité du Sink
4.4 La mobilité des coordinateurs de Cluster
4.5 Discussion
5 Conclusion
Partie 02 : Contributions
Chapitre 4 : Exploitation de la mobilité pour l’économie d’énergie dans un réseau de capteurs sans
fil mobile
1 Introduction
2 Le modèle réseau
3 La formulation du problème de base
4 Contraintes additionnelles
4.1 L’ajustement du rayon de transmission
4.2 La contrainte de couverture
4.3 L’ajustement du rayon de couverture
4.4 Type de mobilité dans le réseau de capteurs sans fil mobile
4.5 L’énergie résiduelle
4.6 La capacité énergétique d’un nœud
5 Résultats numériques
5.1 Programme linéaire en variable 0-1 de base
5.2 Communication mono-saut
5.3 Communication multi-saut
5.4 Réseau de capteurs sans fil mobile organisé en Cluster
6 Conclusion
Chapitre 5 : Optimisation de la mobilité du Sink pour la collecte de données dans un réseau de
capteurs sans fil mobile organisé en Clusters
1 Introduction
2 Stratégie d’optimisation basée sur les Clusters
3 Courbes remplissant l’espace
3.1 La courbe de Peano
3.2 La courbe de Hilbert
3.3 La courbe de Moore
4 Algorithme pour la construction de la courbe de Hilbert
5 Problème du voyageur de commerce
6 Méta-heuristique pour la collecte de données
6.1 Recherche Tabou
6.2 Recuit simulé
7 Etude comparative
8 Simulation
8.1 Présentation du simulateur Castalia
8.2 Mobilité dans le simulateur Castalia
8.3 Hypothèses et paramètres de simulation
8.4 Résultats de simulation
9 Nouvelle stratégie mixte d’optimisation pour la collecte de données
10 Conclusion
Conclusion & perspectives
1 Conclusion
2 Perspectives
Bibliographie
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