Minimisation de la consommation dnergie dans les

rseaux de capteurs sans fil.

Saida RAFIE, Moulay Lahcen HASNAOUI

LiM, Facult des Sciences Dhar El Mahrez, USMBA,

30000 Fez, Morocco

Mohamed EL KAMILI, Mohammed MEKNASSI

LiM, Facult des Sciences Dhar El Mahrez, USMBA,

30000 Fez, Morocco

Abstract Prolonger la dure de vie dun rseau de capteurs sans fil (RCSF) est un dfi fondamental dans leur conception, du

fait quils ont une alimentation limite et irremplaable.

Lapproche hirarchique est lune des techniques utilises afin

de minimiser la consommation dnergie et damliorer la dure

de vie de rseau. Le protocole LEACH (Low Energy Adaptive

Clustering Hierarchy Protocol) est un protocole de routage

hirarchique. Dans ce papier nous proposons une nouvelle

formule de slection des chefs de groupe (Cluster Heads : CHs).

Notre approche vise exploiter plus quitablement lnergie des

nuds slectionns CHs et conomiser lnergie dissipe lors de

lacheminement des donnes captures la Station de Base (SB).

Nous avons valu les performances du protocole LEACH avec la

nouvelle approche propose en utilisant NS2 comme outil de

simulation. Les rsultats des simulations ont montr que notre

proposition permet une rduction de la dissipation d'nergie et

une dure de vie de rseau plus grande.

Mots-clsRseaux de capteurs sans fil, Protocole de routage;

Techniques de clustering ; Optimisation dnergie.

I. INTRODUCTION

Un rseau de capteurs sans fil (RCSF) [1,2] est un rseau sans fil comprenant des capteurs spatialement distribus et autonomes, ces capteurs cooprrent pour surveiller les conditions physiques ou environnementales des endroits diffrents comme, la temprature, le son, la vibration polluante de pression, de mouvement [3], etc. Les capteurs, sont accompagns par des piles dont les ressources nergtiques sont limites, et gnralement non remplaables. Afin de prolonger la dure de vie du rseau, plusieurs approches de routage ont t proposes. Parmi ces protocoles le routage hirarchique dans lequel le rseau est partitionn en petits groupes et chaque groupe est surveill et contrl par un nud, appel (CH). Un CH est responsable de la transmission des informations recueillies par les nuds de son cluster et il peut compresser les donnes avant les transmettre la SB [4].

Nous tudions dans ce travail les performances du protocole LEACH et les amliorations existantes. Ainsi, une mtrique a t implmente afin de prolonger la dure de vie des capteurs le plus longtemps possible.

Dans la Section II nous prsentons larchitecture de rseau et le fonctionnement de protocole LEACH. Dans la Section III, nous exposons les amliorations existantes, nous dtaillerons

lamlioration propose ainsi que les rsultats obtenus. Enfin, la Section VI conclut cet article.

II. ARCHITECTURE D RSEAU ET FONCTIONNEMENT DE LEACH

A. Architecture de rseau

LEACH est un protocole qui se base sur le concept de la classification (clustering) montr dans la figure 1, qui consiste partitionner le rseau en groupes (clusters). Les nuds envoient leurs donnes aux CHs qui envoient leur tour ces donnes vers la SB. Les CHs font des traitements simples (agrgation par exemple) sur les donnes avant de les transmettre.

Fig. 1. la classification dans le rseau de capteurs sans fil.

B. Fonctionnement de protocole LEACH

Le fonctionnement de protocole LEACH est comme suit : les nuds s'auto-lisent pour tre des CH. Ils se basent sur le pourcentage des CH dsir dans le rseau et sur le nombre d'itrations au cours duquel un nud a pris le rle du CH. Un nud ' n ' prend une valeur entre 0 et 1, si cette valeur est infrieure un seuil T(n), le nud se dclare CH [4].

non si 0)(

(1)G n si

),mod(

)(

nT

K

NrKN

KnT

Avec k est pourcentage dsir des CHs, r est litration actuelle et G est lensemble des nuds qui nont pas t slectionns comme CH durant les dernires N/K itrations.

Ensuite, chaque CH informe ses voisins de son lection, et chaque nud choisit le CH le plus proche.

Aprs la formation des clusters, les CHs construisent des tables TDMA (Time Division Multiple Access) en se basant sur le nombre des nuds dans leurs clusters. Dans ces tables on associe chaque nud une tranche de temps durant laquelle il peut transmettre ces messages (la transmission se fait sur toute la bande passante alloue pour la transmission des donnes), c'est--dire que chaque nud qui tente de faire une transmission durant son time-slot il est sr que le canal lui est propre.

Pour empcher les interfrences entre les messages des clusters qui sont proches, chaque CH choisit alatoirement un code dans une liste de codes CDMA (Code Division Multiple Access) et il le transmet aux nuds appartenant son groupe pour lutiliser pendant la transmission, comme a tous les nuds utilisent la mme bande passante mais avec des modulations de frquences qui sont spcifies dans le code envoy par le CH.

III. AMLIORATION EXISTANTES POUR PROLONGER LA DURE DE VIE

Lobjectif tait de favoriser les nuds qui ont plus dnergie devenir CH. Pour raliser ceci les auteurs utilisent la formule qui permet de calculer le rapport dnergie prsente

dans le nud prsE sur lnergie initiale iniE , et lintroduire dans la formule de classification, le nouveau seuil considrant lnergie [5] :

)2()()(1ini

prs

E

EnTnT

Lquation prcdente a t tendue par un facteur qui augmente le seuil dun nud qui na pas t CH pendant les derniers N/K tours [6].

)3())1)((()[()(2ini

prs

ini

prs

E

E

K

Ndivrs

E

EnTnT

Avec K est pourcentage dsir des CHs, N est le nombre total des nuds, et rs est le nombre de tours conscutives dans

lesquels le nud n'a pas t CH siK

Nrs

alors )()(2 nTnT , rs est mis 0 lorsque le nud devient CH.

IV. AMLIORATION PROPOSE, EXPRIMENTATION ET RSULTATS

Le but est de favoriser les nuds qui ont plus dnergie et

proche la SB devenir des CHs.

A. Introduction de la distance entre le nud et la station de base dans la formule de slection.

Lobjectif est de donner plus de chance aux nuds qui sont proches de la station de base pour quils deviennent CHs. lquation de seuil devient:

)4()()( max3d

dnTnT

O d est la distance entre le nud et la station de base et dmax est la distance maximale entre la station de base et un nud.

Comme nous avons dj prsent prcdemment que les nuds sauto-lisent et choisissent alatoirement un nombre entre 0 et 1 et que cette valeur doit tre infrieure un seuil pour que les nuds soient CHs. Alors, ce seuil doit avoir une valeur plus ou moins grande afin quon aura une forte probabilit davoir des nuds CHs. Si on prend deux nuds n1 et n2 qui ont respectivement des distances d1< d2 on aura trivialement

T3 (n1) > T3 (n2).

B. Nouvelle formule de slection : Introduction de lnergie et de la distance

Cette formule consiste considrer les nuds ayant plus dnergie et moins de distance par rapport la station de base comme CHs, lide cest faire une combinaison entre les deux formules T3 et T1 avec de telles pourcentages a et b, aprs certains changements de a et b nous avons abouti au rsultats suivant :

)5()()()( 134 nbTnaTnT avec a=0.15 Et b=0.85 (a+b=1)

C. Exprimentation et rsultats

Pour valuer les performances de protocole LEACH,

nous nous sommes bass sur les amliorations existantes ainsi

que sur lamlioration que nous avons propose. Nous avons

utilis le simulateur NS2 (Network Simulator). Les paramtres

de la simulation sont regroups dans le tableau 1 ci-dessous :

Nombre de nuds 100 + SB

Surface de simulation (100 m,100 m)

Position de la SB (50 m,200 m)

Nombre de CHs 5

Dure dun tour 20s

Tab .1. Les paramtres de simulation.

Pour dterminer la dure de vie de rseau et procder

une comparaison entre les diffrentes formules, nous avons

considr la mtrique PR qui reprsente le pourcentage des

tours dans lesquels tous les nuds restent en vie tous

ensemble. les rsultats obtenus sont prsentes dans les figures

suivantes :

Fig. 2. Total des noeuds en vie en fonction de temps.

Les rsultats de la simulation exposs dans la figure 2

montrent clairement quil y a un prolongement de la dure de

vie de rseau, en appliquant la nouvelle formule T4. Le rseau

peut attendre plus de tours avant que tous les nuds meurent.

Fig. 3. Pourcentage de tours dont tous les nuds restent en vie pour les formules T, T2 et T4.

La figure 3 ci-dessus montre que la formule T4 permet tous les nuds de rester tous ensemble en vie pendant 94% de lensemble de tours. Pourtant en appliquant la formule originale de LEACH les nuds nont pu rsister que 62 tours,

c'est--dire que nous avons russi prolonger la dure de vie de rseau de 30% , cest un rsultat intressant puisque dans les RCSF tous les nuds doivent collaborer pour accomplir un objectif bien dtermin.

V. CONCLUSION

Nous avons tudi les diffrentes amliorations proposes pour la formule de slection utilise par le protocole LEACH, afin de prolonger la dure de vie des RCSF. De plus nous avons propos une amlioration qui prend en considration les nuds ayant une nergie maximale et une distance minimale par rapport la station de base pour la fonction des CHs, ainsi nous avons effectu des exprimentations pour valuer les performances de diffrentes amliorations en terme de la dure de vie du rseau. Les rsultats exprimentaux et la comparaison entre ces diffrentes amliorations montrent que notre amlioration a russi de prolonger la dure de vie des rseaux de capteurs sans fil jusqu 30%, et permet aux nuds capteurs de rester tous ensemble en vie pendant une longue dure.

REFERENCES

[1] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirici, A

survey on sensor networks, Commun. ACM, pp. 102114, Aug.

2002.

[2] K. Akkaya and M.Younis, "A survey on routing protocols for wireless

Sensor network," journal of Adhoc Networks, vol 3, 325-349, 2005.

[3] .Ramesh and Dr. K.Somasundaram,A comparative study of clusterhead selection algorithms in wireless sensor networks, International Journal of Computer Science & Engineering Survey (IJCSES) Vol.2, No.4, November 2011.

[4] Jong-Shin Chen.Efficient Cluster Head Selection Methods for Wireless Sensor Networks. Journal of Networks, Vol.5,No.8, AUGUST 2010.

[5] P.T.V.Bhuvaneswari and V.Vaidehi, Enhancement techniques incorporated in LEACH- a survey, Indian Journal of Science and Technology, Vol.2 No 5 (May 2009).

[6] Fengjun Shang, An Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Sensor Networks, Journal of Networks, VOL. 6, NO. 7, JULY 2011.

[7] M. J. Handy, M. Haase, D. Timmermann,Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy with Deterministic Cluster-Head Selection, Conference Publications, October 2002.