République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la recherche scientifique

Université des sciences et de la Technologie Houari Boumediene

Faculté d’électronique et d’informatique

Licence 3 : GTR

Exposé sur :

Travail réalisé par :

- Meldjem Sara 201100002799

- Khalfi Chahinez 201100001304

- Merabtine Nour-Houda 201100006688

- Hadj Rabah Karima 201100001803

2013 - 2014

Les réseaux de capteurs

2

TABLE DES MATIÈRES

Introduction générale ………………………...4

Chapitre 1. Généralités sur les réseaux de capteurs

I. Introduction………………………………………6

II. Architecture et composants d’un capteur Sans fil..7 III. Architecture d’un réseau de capteurs sans fils.………...8

IV. Applications des réseaux de capteurs………………….9

V. Caractéristiques des RCSF…………………………….10

VI. Contraintes de conception des RCSF.………………..14

VII. Conclusion……………………………………….16

Chapitre 2. Les protocoles de routage

I. Introduction..........................................................18

II. Les différents protocoles de routage …………...18

1. Inondation………………………………………18

2. Gossiping……………………………………….18

3. SPIN…………………………………………….20

4. DD………………………………………………20

5. GAF……………………………………………..20

6. LEACH…………………………………………21

7. PEGASIS……………………………………….21

III. Les principales classes des protocoles de routage :….22

1. Le routage plat………………………………….22

2. Le routage hiérarchique………………………...23

3. Le routage géographique……………………….23

IV. Conclusion……………………………………...24

3

Chapitre 3. Le protocole LEACH

I. Introduction…………………………………….26

II. Description de l’algorithme LEACH ………….26

III. La durée de vie du réseau …………………………..27

IV. Conclusion……………………………………..28

Conclusion générale……………………………….29

4

Introduction générale

Les progrès réalisés lors de ces dernières décennies dans les domaines de la

microélectronique, de la micromécanique, et des technologies de communication sans fil,

ont permis de produire avec un coût raisonnable des composants de quelques millimètres

cubes de volume. Ces derniers, appelés micro-capteurs, intègrent : une unité de captage

chargée de capter des grandeurs physiques (chaleur, humidité, vibrations) et de les

transformer en grandeurs numériques, une unité de traitement informatique et de stockage

de données et un module de transmission sans fil. Un grand nombre de ces dispositifs

(micro-capteurs) sont déployés dans la nature afin de créer un réseau de capteurs à des fins

aussi bien de contrôle. Le fort potentiel d’applications des réseaux de capteurs en font un

domaine de recherche très actif.

Un micro-capteur est muni d'une ressource énergétique (généralement une batterie) pour

alimenter tous ses composants. Cependant, en raison de sa taille réduite, la ressource

énergétique dont il dispose est limitée et généralement irremplaçable. Dès lors, l’énergie est

la ressource la plus précieuse dans un réseau de capteurs, puisque elle influe directement sur

la durée de vie des micros capteurs, voire du réseau en entier, étant donnée que le routage de

donnée est un facteur déterminant dans la gestion économique d’énergie plusieurs recherche

on était effectuée afin de proposer des stratégies de routages dont certaines sont des

adaptations de stratégies qui existaient pour d'autres types de réseaux (réseau ad hoc) tandis

que d'autres ont été conçues spécialement pour les réseaux de capteurs sans fil. L’objectif de

notre projet est d’étudier les caractéristiques des réseaux de capteurs, repérer leurs

inconvénients et leurs avantages et enfin énumérer les différents protocoles de routages

utilisés afin d’étudier un des protocoles en détail.

Le projet sera organisé comme suit : En premier lieu, on introduira quelques généralités

sur les réseaux de capteurs sans fil. Ensuite, on présentera les protocoles de routage dans les

RCSFs ainsi que leurs classements. Par la suite on détaillera un des protocoles utilisés.

Enfin, On terminera avec une conclusion générale.

5

6

I. Introduction

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs ou WSNs : Wireless sensor networks en

anglais) sont devenus de plus en plus omniprésents. Les milieux scientifiques et industriels

leurs prêtent de en plus d'attention du fait de leurs riches applications dans les domaines :

médical, commercial et militaire. Selon MIT’s Technology Review, il s’agit de l’une des dix

nouvelles technologies qui vont influer sur notre manière de vivre et de travailler. Les

RCSFs sont des réseaux de nœuds sans fil dédiés à des applications spécifiques. Ils sont

considérés comme un type particulier des réseaux Ad-hoc, dans lesquels les nœuds sont des

capteurs intelligents (smart sensors). Les RCSFs sont composés d’un nombre

potentiellement très grand (plusieurs milliers) de capteurs qui se communiquent selon un

modèle de communication « sources multiples - destination unique », déployés dans la zone

à couvrir.

Chaque capteur est capable d’effectuer d'une manière autonome trois tâches

complémentaires: mesure d’une valeur physique, traitement de ses mesures, et

communication par voie hertzienne.

.

Figure 1 : Réseau de capteurs sans fils

Les capteurs sont des objets limités en termes de bande passante, de puissance de calcul,

de mémoire disponible et d’énergie embarquée. La position de ces nœuds n'est pas

obligatoirement prédéterminée. Ils sont dispersés aléatoirement à travers une zone

géographique, appelée champ de captage, qui définit le terrain d'intérêt pour le phénomène

capté. Les données captées sont acheminées grâce à un routage multi-sauts à un nœud

considéré comme un "point de collecte" ou "collecteur", appelé nœud puits (sink, ou station

de base). Ce dernier peut être connecté à l'utilisateur du réseau via Internet ou un satellite.

Ainsi, l'usager peut adresser des requêtes aux autres nœuds du réseau, précisant le type de

données requises et récoltant les données environnementales captées par le biais du nœud

puits.

7

Figure 2 : Exemple de capteurs sans fils

Les réseaux de capteurs sans fil sont typiquement employés dans les environnements

fortement dynamiques et hostiles sans existence humaine (à la différence des réseaux

informatiques conventionnels), et donc, ils doivent être tolérants à l'échec (avec une

participation humaine minime) et à la perte de connectivité.

II. Architecture et composants d’un capteur Sans fil

L’architecture générale présentée dans la littérature est schématisée sur la figure (figure

3). L’architecture comprend quatre éléments de base pour le fonctionnement du capteur: une

unité de captage, une unité de traitement, une unité d’émission/réception et une unité de

puissance; néanmoins, d’autres éléments optionnels peuvent être intégrés pour certaines

applications spécifiques, à savoir: un système de localisation géographique, un régénérateur

d’énergie et un mobilisateur. Chacun de ces éléments sera détaillé dans ce qui suit:

Figure 3 : Architecture d’un capteur sans fils

1- L’unité de captage :

C’est le composant principal d'un nœud sans fil qui se distingue de tout autre

système embarqué avec ces capacités de communication. L'unité de captage peut

inclure généralement plusieurs sondes, qui fournissent des informations collectées du

monde physique. Chaque unité est responsable de collecter les informations d'un

certain type, tel que la température, l’humidité, ou la lumière. Cette unité est

généralement composée de deux sous-unités : le capteur lui-même et un

convertisseur Analogique/Numérique. Le capteur est responsable de fournir des

signaux analogiques, basés sur le phénomène observé, au convertisseur

8

Analogique/Numérique. Ce dernier transforme ces signaux en un signal numérique

compréhensible par l'unité de traitement.

2- L’unité de traitement :

L'unité de traitements est le contrôleur principal du nœud sans fil. Elle se

compose d'une mémoire à bord ou peut être associée à une petite unité de stockage

intégrée sur la carte intégrée. L'unité de traitement contrôle les procédures qui

permettent au nœud d'exécuter des opérations de détection, des algorithmes associés

et de collaborer avec les autres nœuds par la communication sans fil.

3- L’unité de transmission :

Cette unité est responsable d'effectuer toutes les émissions et réceptions des

données sur un medium sans fil. Elle peut être de type optique (comme dans les

nœuds Smart Dust), ou de type radio-fréquence. Les communications de type optique

sont robustes vis-à-vis des interférences électriques. Néanmoins, elles présentent

l'inconvénient d'exiger une ligne de vue permanente entre les entités communicantes.

Par conséquent, elles ne peuvent pas établir de liaisons à travers des obstacles. Les

unités de transmission de type radio-fréquence comprennent des circuits de

modulation démodulation, filtrage et multiplexage; ce qui implique une

augmentation de la complexité et du coût de production du micro-capteur. Concevoir

des unités de transmission de type radio-fréquence avec une faible consommation

d'énergie est un véritable défi. En effet, pour qu'un nœud ait une portée de

communication suffisamment grande, il est nécessaire d'utiliser un signal assez

puissant. Cependant, l’énergie consommée serait importante. L'autre alternative

serait d'utiliser de longues antennes, mais ceci n'est pas possible à cause de la taille

réduite des micro-capteurs.

4- L'unité de contrôle d'énergie :

Un micro-capteur est muni d'une ressource énergétique (généralement une

batterie) pour alimenter tous ses composants. Cependant, en conséquence de sa taille

réduite, la ressource énergétique dont il dispose est limitée et est généralement

irremplaçable. Dès lors, l'énergie est la ressource la plus précieuse dans un réseau de

capteurs, puisque elle influe directement sur la durée de vie des micro-capteurs, voire

du réseau en entier. L'unité de contrôle d'énergie constitue donc l'un des systèmes les

plus importants. Elle est responsable de répartir l'énergie disponible aux autres

modules et de réduire les dépenses en mettant en veille les composants inactifs par

exemple. Cette unité peut aussi gérer des systèmes de rechargement d'énergie à partir

de l'environnement observé telles que les cellules solaires, afin d'étendre la durée de

vie totale du réseau.

Le capteur peut contenir également, suivant son domaine d'application, des modules

supplémentaires tels que :

9

- Le système de localisation géographique:

Dans plusieurs applications, les tâches de détection et les techniques de routage

ont besoin de connaitre la localisation géographique d'un nœud. Ainsi, il est commun

pour qu'un nœud soit équipé d'un système de localisation géographique. Ce système

peut se composer d'un module de GPS pour un nœud de haut niveau ou bien d'un

module de software qui implémente des algorithmes de localisation qui fournissent

les informations sur l'emplacement du nœud par des calculs distribués.

- Le mobilisateur:

Un mobilisateur peut parfois être nécessaire pour déplacer un nœud pour

accomplir ses tâches. Le support de mobilité exige des ressources énergétiques

étendues qui devraient être fourni efficacement. Le mobilisateur peut, également,

opérer dans l'interaction étroite avec l'unité de détection et le processeur pour

contrôler les mouvements du nœud.

- Le régénérateur de l’énergie:

Tandis que l'alimentation par batterie, est la plupart du temps, utilisée dans les

nœuds, un générateur électrique supplémentaire peut être utilisé pour des

applications où une plus longue vie de réseau est essentielle. Pour des applications

extérieures, des piles solaires sont utilisées pour générer l'alimentation électrique. De

même, des techniques de récupération d'énergie pour l'énergie thermique ou

cinétique peuvent également être utilisées.

III. Architecture d’un réseau de capteurs sans fils

Tous les capteurs respectent globalement la même architecture basée sur un noyau central

autour duquel s’articulent les différentes interfaces d’entrée-sortie, de communication et

d’alimentation. La figure 4 montre un exemple d’un réseau de capteurs.

Figure 4 : Exemple de réseaux de capteurs

10

Un RCSF est composé d'un ensemble de nœuds capteurs qui sont organisés en champs

«Sensor Fields». Chacun de ces nœuds a la capacité de collecter des données et de les

transférer au nœud passerelle par l'intermédiaire d'une architecture multi-sauts. Le nœud

passerelle transmet ensuite ces données par Internet ou par satellite à l'ordinateur central

«Gestionnaire de tâches» pour analyser ces données et prendre des décisions.

IV. Applications des réseaux de capteurs

La taille de plus en plus réduite des micro-capteurs, le coût de plus en plus faible, la large

gamme des types de capteurs disponibles (thermique, optique, vibrations,...) ainsi que le

support de communication sans fil utilisé, permettent aux réseaux de capteurs d'envahir

plusieurs domaines d'applications. Ils permettent aussi d'étendre les applications existantes

et de faciliter la conception d'autres systèmes tels que le contrôle et l'automatisation des

chaînes de montage. Les réseaux de capteurs ont le potentiel de révolutionner la manière

même de comprendre et de construire les systèmes physiques complexes. Les réseaux de

capteurs peuvent se révéler très utiles dans de nombreuses applications lorsqu'il s'agit de

collecter et de traiter des informations provenant de l'environnement. Parmi les domaines où

ces réseaux peuvent offrir les meilleures contributions, nous citons les domaines : militaire,

environnemental, domestique, santé, sécurité, etc. Des exemples d'applications potentielles

dans ces différents domaines sont exposés ci-dessous ;

1- Applications militaires

Comme dans le cas de plusieurs technologies, le domaine militaire a été un moteur

initial pour le développement des réseaux de capteurs. Le déploiement rapide, le coût

réduit, l'auto-organisation et la tolérance aux pannes des réseaux de capteurs sont des

caractéristiques qui rendent ce type de réseaux un outil appréciable dans un tel domaine.

Figure 5 : réseau de capteurs militaire

Comme exemple d'application dans ce domaine, on peut penser à un réseau de capteurs

déployé sur un endroit stratégique ou difficile d'accès, afin de surveiller toutes les

activités des forces ennemies, ou d'analyser le terrain avant d'y envoyer des troupes

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(détection d'agents chimiques, biologiques ou de radiations). Des tests concluants ont

déjà été réalisés dans ce domaine par l'armée américaine dans le désert de Californie.

2- Applications à la sécurité

Les altérations dans la structure d'un bâtiment, suite à un séisme ou au vieillissement,

pourraient être détectées par des capteurs intégrés dans les murs ou dans le béton, sans

alimentation électrique ou autres connexions filaires. Les capteurs doivent s'activer

périodiquement et peuvent ainsi fonctionner durant des années, voire des décennies. Un

réseau de capteurs de mouvements peut constituer un système d'alarme distribué qui

servira à détecter les intrusions sur un large secteur. Déconnecter le système ne serait

plus aussi simple, puisque il n'existe pas de point critique. La surveillance de voies

ferrées pour prévenir des accidents avec des animaux et des êtres humains peut être une

application intéressante des réseaux de capteurs.

Figure 6 : Application à la sécurité

La protection des barrages pourrait être accomplie en y introduisant des capteurs. La

détection de fuites d'eau permettrait d'éviter des dégâts. Les êtres humains sont

conscients des risques et attaques qui les menacent. Du coup, ils mettent à disposition

toutes les ressources humaines et financières nécessaires pour leur sécurité. Cependant,

des failles sont toujours présentes dans les mécanismes de sécurisation appliqués

aujourd'hui, sans oublier leur coût très élevé. L'application des réseaux de capteurs dans

le domaine de la sécurité pourrait diminuer considérablement les dépenses financières

consacrées à la sécurisation des lieux et à la protection des êtres humains tout en

garantissant de meilleurs résultats.

3- Applications environnementales

Des thermo-capteurs dispersés à partir d'un avion sur une forêt peuvent signaler un

éventuel début d'incendie dans le champ de captage; ce qui permettra une meilleure

efficacité pour la lutte contre les feux de forêt. Dans les champs agricoles, les capteurs

peuvent être semés avec les graines. Ainsi, les zones sèches seront facilement identifiées

et l'irrigation sera donc plus efficace. Sur les sites industriels, les centrales nucléaires ou

dans les pétroliers, des capteurs peuvent être déployés pour détecter des fuites de

produits toxiques (gaz, produits chimiques, éléments radioactifs, pétrole, etc.) et alerter

les utilisateurs dans un délai suffisamment court pour permettre une intervention

efficace.

12

Figure 7 : Application environnementale

Une grande quantité de capteurs peut être déployée en forêt ou dans un environnement

de conservation de la faune afin de recueillir des informations diverses sur l'état du

milieu naturel et sur les comportements de déplacement. Par exemple, l'université de

Pise en Italie a réalisé des réseaux de capteurs pour le contrôle des parcs naturels (feux,

animaux,..). Il est ainsi possible "d'observer", sans déranger, des espèces animales

difficiles à étudier dans leur environnement naturel et de proposer des solutions plus

efficaces pour la conservation de la faune. Les éventuelles conséquences de la dispersion

en masse des micro-capteurs dans l'environnement ont soulevé plusieurs inquiétudes. En

effet, chaque micro-capteur est doté d'une batterie qui contient des métaux nocifs.

Néanmoins, le déploiement d'un million de capteurs de 1 millimètre cube chacun ne

représente qu'un volume total d'un litre. Même si tout ce volume était constitué de

batteries, cela n'aurait pas des répercussions désastreuses sur l'environnement.

4- Applications médicales

On pourrait imaginer que dans le futur, la surveillance des fonctions vitales de l'être

humain serait possible grâce à des micro-capteurs qui pourront être avalés ou implantés

sous la peau. Actuellement, des micro-caméras qui peuvent être avalées existent. Elles

sont capables, sans avoir recours à la chirurgie, de transmettre des images de l'intérieur

d'un corps humain avec une autonomie de 24 heures. Les auteurs d'une récente étude,

présentent des capteurs qui fonctionnent à l'intérieur du corps humain pour traiter

certains types de maladies. Leur projet actuel est de créer une rétine artificielle

composée de 100 micro-capteurs pour corriger la vue.

13

Figure 8 : ensemble de capteurs dans un corps humain.

D'autres ambitieuses applications biomédicales sont aussi présentées, tel que : la

surveillance du niveau de glucose, le monitoring des organes vitaux ou la détection de

cancers. L'utilisation des réseaux de capteurs dans le domaine de la médecine pourrait

apporter une surveillance permanente des patients et une possibilité de collecter des

informations physiologiques de meilleure qualité, facilitant ainsi le diagnostic de

quelques maladies.

5- Applications commerciales

Il est possible d'intégrer des nœuds capteurs au processus de stockage et de livraison.

Le réseau ainsi formé, pourra être utilisé pour connaître la position, l'état et la direction

d'un paquet ou d'une cargaison. Il devient alors possible pour un client qui attend la

réception d'un paquet, d'avoir un avis de livraison en temps réel et de connaître la

position actuelle du paquet. Pour les entreprises manufacturières, les réseaux de capteurs

permettront de suivre le procédé de production à partir des matières premières jusqu'au

produit final livré. Grâce aux réseaux de capteurs, les entreprises pourraient offrir une

meilleure qualité de service tout en réduisant leurs coûts. Dans les immeubles, le

système de climatisation peut être conçu en intégrant plusieurs micro-capteurs dans les

tuiles du plancher et les meubles. Ainsi, La climatisation pourra être déclenchée

seulement aux endroits où il y a des personnes présentes et seulement si c'est nécessaire.

Le système distribué pourra aussi maintenir une température homogène dans les pièces.

Utilisée à grande échelle, une telle application permettrait de réduire la demande

mondiale en énergie réduisant du même coup les gaz à effet de serre. Rien que pour les

Etats-Unis, on estime cette économie à 55 milliards de dollars par an avec une

diminution de 35 million de tonnes des émissions de carbone dans l'air. Ainsi, dans un

contexte mondial où le réchauffement de la planète devient une préoccupation

grandissante, une telle conséquence environnementale serait un pas dans la bonne

direction.

V. Caractéristiques des RCSF

Les RCSF ne fonctionnent pas toujours de la même manière que les MANETs.

Par exemple, la liaison radio étant intrinsèquement omnidirectionnelle, les RCSF

fonctionnent en mode diffusion (broadcast) alors que les MANETs fonctionnent

classiquement en pair-à-pair. Les caractéristiques les plus remarquables des RCSF, qui les

distinguent justement des MANETs, sont les suivantes :

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- Le nombre de nœuds capteurs peut atteindre plusieurs centaines.

- Pour des raisons de fiabilité et suivant le mode de déploiement du RCSF, il y a en

général une forte densité des nœuds capteurs.

- A cause du mode de fabrication en grandes séries et du type industriel, il n’est pas

possible de contrôler le bon fonctionnement de chaque nœud capteur. Par ailleurs,

parmi les nœuds capteurs disposant d’une énergie électrique limitée, certains

tomberont en panne au bout d’une certaine durée de fonctionnement. Cette

caractéristique est à prendre en compte dans la conception du réseau.

- La topologie du RCSF change fréquemment à cause des défaillances des nœuds. De

plus, il se peut que l’on rajoute de nouveaux nœuds capteurs au réseau déjà déployé,

soit pour étendre le réseau ou plus sûrement pour compenser la défaillance d’un

grand nombre de nœuds, après un certain temps de fonctionnement du réseau.

- Les ressources des nœuds capteurs en termes d’énergie électrique, de puissance de

calcul et de capacité de stockage sont très limitées. Le fonctionnement de l’ensemble

aura pour souci principal de limiter la consommation d’énergie afin de prolonger la

durée de vie du réseau tout en fournissant une qualité de service acceptable.

L’utilisateur pourra, au moment du déploiement, choisir entre augmenter la durée de

vie du réseau et l’exigence des performances à fournir par le réseau.

- Les nœuds capteurs n’ont pas en général d’identifiant global à cause de leur nombre

trop grand dans le RCSF et de la surcharge que cela entraîne. Dans un RCSF,

l’importance est accordée à l’information capturée et à la zone de capture au lieu de

s’intéresser à l’identité du nœud capturant cette information.

VI. Contraintes de conception des RCSF

La conception d’un RCSF est influencée par plusieurs paramètres qui, une fois pris en

compte, génèrent un guide de conception. Ce guide peut être aussi utilisé pour comparer

entre deux RCSF. Parmi ces paramètres, nous citons les suivants :

La tolérance aux pannes :

Les algorithmes et protocoles doivent tenir compte du fait qu’un nœud peut cesser

de fonctionner par manque d’énergie ou parce qu’il a été détruit. Ils devront adapter

leur niveau de tolérance aux pannes en fonction de l’hostilité du milieu dans lequel

est déployé le réseau.

Le facteur d’échelle :

Le nombre de nœuds capteurs déployés peut atteindre des centaines, des milliers,

voir même pour certaines applications, des millions. Les protocoles et algorithmes

devront pouvoir fonctionner correctement dans tous les cas de figure. Classiquement, la densité des nœuds est de l’ordre de 300 nœuds pour 25m2 pour la surveillance de

machines et de 10 nœuds par région pour la surveillance de véhicule. Une densité de

20 nœuds/m2 est très courante. Dans une maison, on estime à 2 douzaines le nombre

d’appareils qui comporteront des capteurs. Pour la domotique, la densité devrait être

comprise entre 20 et 100 nœuds par région. Les densités devraient être encore plus

importantes si l’on insère des capteurs dans les lunettes, les vêtements, les

chaussures, les montres, les bijoux ou encore le corps humain.

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Les coûts de production :

Si le coût d’un nœud capteur est tel que le déploiement d’un réseau revient plus

cher que les capteurs traditionnels, alors le RCSF n’est pas justifié économiquement.

L’état actuel de la technologie nous permet de produire des capteurs Bluetooth pour

dix dollars l’unité et des pico-capteurs pour moins d’un dollar. Le seuil à atteindre

pour que la solution RCSF soit économiquement faisable est bien inférieur à un

dollar.

Les contraintes matérielles :

Un nœud capteur est constitué de composants consommant de l’énergie

électrique, comme il peut aussi avoir des modules dédiés à l’application ou destinés à

la localisation ou au mouvement. Par conséquent, la capacité de la batterie

d’alimentation du nœud forme une contrainte matérielle forte. Il est aussi connu que

le volume du nœud capteur n’excède pas celui d’une boite d’allumette, ceci s’oppose

à ce qui précède. Par ailleurs, les transmissions radio d’un nœud capteur sont plus

complexes et consomment plus d’énergie que les liaisons optiques. Elles sont quand

même préférées en raison de leur temps de fonctionnement très bref. Ensuite, bien

que les progrès soient constants en micro-électronique, les ressources du

microprocesseur sont limitées. Parfois, certains nœuds possèdent un système GPS

pour se localiser, mais cela n’est pas rentable économiquement.

La topologie du réseau :

La forte probabilité de panne d’un nœud capteur ou la possibilité de rajouter des

nœuds font que la topologie du réseau doit pouvoir changer dynamiquement. Il faut

donc gérer avec précision la maintenance de cette topologie. On distingue trois

phases : le déploiement, le post-déploiement et le redéploiement des nœuds capteurs.

Les nœuds capteurs peuvent êtres disséminés à partir des hauteurs ou placés dans des

localisations précises de la zone d’intérêt. Quelle que soit la méthode utilisée, le coût

du déploiement doit rester le plus faible possible. A cause des déplacements des

nœuds, d’obstacles mobiles ou de brouillages volontaires, des actions post-

déploiement peuvent être opérées sur la topologie du RCSF. Des nœuds capteurs

peuvent aussi être déployés dans un deuxième temps pour remplacer ceux tombés en

panne ou détruits. La topologie d’un RCSF doit s’adapter à toutes les situations, à

savoir les pannes, la mobilité et le rajout des nœuds.

L’environnement de déploiement :

Les nœuds peuvent être déployés tout près de l’objet à surveiller ou en son sein.

L’environnement de déploiement peut être à l’intérieur d’une grosse machine, au

fond d’un océan, dans un lieu contaminé biologiquement ou chimiquement, dans un

champ de bataille, dans une maison ou un immeuble, sur un animal, sur un véhicule,

etc. Ces situations très variées engendrent des contraintes très fortes de

l’environnement sur les nœuds capteurs.

Le support de transmission :

Le support de transmission des nœuds doit être universel. Une possibilité est de

choisir, pour les transmissions radio, les bandes de fréquences des domaines de

l’industrie, les sciences et la santé, qui ne nécessitent pas de licences et sont

disponibles dans tous les pays. Des contraintes de puissance et de consommation

d’énergie font qu’en réalité se sont les hautes fréquences qui sont avantageuses. Le

16

choix s’est porté sur la bande des 433Mhz en Europe et des 915Mhz aux USA. La

transmission infrarouge aurait pu être intéressante, mais elle a été écartée parce

qu’elle exige une vue directe entre l’émetteur et le récepteur.

Le traitement des données :

Sachant que le traitement d’un paquet est beaucoup moins coûteux que sa

transmission par un nœud capteur, on privilégie alors systématiquement les

traitements locaux dans chaque nœud capteur (filtrage, calcul de la moyenne, etc.)

pour minimiser le volume des données circulant dans le RCSF.

La consommation d’énergie :

Les nœuds capteurs embarquent en général une quantité d’énergie très limitée.

Les transmissions de données entre les nœuds consomment beaucoup d’énergie,

surtout si des nœuds tombent en panne et qu’il faut réorganiser le RCSF. C’est

pourquoi des algorithmes et des protocoles ont été développés ayant pour principal

souci l’économie d’énergie, au détriment parfois de la qualité de service fournie par

un RCSF.

VII. Conclusion

Les réseaux de capteurs sans fil ne cessent de prendre une place très appréciée au sein de

la communauté de la recherche vu leurs déploiement assez simple et leurs applications qui

se développent chaque jour pour élargir leurs horizons. Initialement, réserves pour les

applications militaires Aujourd’hui, les WSNs ont réussi à conquérir d’autres domaines

civils plus larges et plus pratiques changeant le quotidien des êtres humains.

17

18

I. Introduction :

Le routage consiste à trouver un chemin pour envoyer le message de la source à la

destination.

Dans le cadre des réseaux de capteurs, le routage doit être efficace en énergie. Pour cela, il

faut bien sûr être capable de trouver une route qui ne coûte pas trop d’énergie, une route pas

trop longue. Mais il faut aussi être capable de trouver ou de maintenir les routes sans

dépenser trop d’´energie. Les protocoles dans lesquels on maintient à jour des tables de

routage à l’aide d’envois périodiques de paquets “hello” ont un coût constant non

négligeable. Ce coût constant est particulièrement pénalisant puisque l’on a des trafics tr`es

sporadiques : maintenir une table de routage, pour avoir des routes tr`es efficaces, n’est pas

intéressant si l’on n’utilise que tr`es rarement ces routes.

Les protocoles de routage spécifiques aux réseaux de capteurs doivent tenir compte du type

de communications induit par l’application. Outre le fait que la quantité de données

échangées est tr`es faible par rapport aux applications de types réseaux ad hoc, notons que le

trafic est particulièrement prévisible puisqu’il va des nœuds vers le puits ou du puits vers les

nœuds.

Nous ne faisons pas ici un état de l’art des protocoles de routages. Nous voulons seulement

présenter des protocoles types des réseaux de capteurs.

II. Les différents protocoles de routage :

1. Inondation :

L’inondation (“flooding”, en anglais) consiste à envoyer un message à tout le réseau.

L’émetteur envoie le message à tous ses voisins. Chaque voisin envoie à son tour le

message à tous ses voisins et ainsi de suite. Les nœuds vont donc recevoir le même

message plusieurs fois de différents voisins.

Pour éviter que le message ne se multiplie dans le réseau, chaque nœud ne le renvoie

qu’une seule fois.

Pour ce faire, chaque message envoyé en inondation a un identifiant unique. Les nœuds

qui ré-émettent le message notent l’identifiant. S’ils reçoivent à nouveau un message avec

cet identifiant, ils ne le renvoient pas.

2. Gossiping : Dans cette technique, dérivée de la technique d’inondation, le nœud ne diffuse pas les

messages reçus à tous ses voisins, mais il les transmet à un seul, sélectionné aléatoirement.

En effet, chaque nœud capteur dans le réseau sélectionne aléatoirement un nœud parmi ses

voisins pour lui transmettre les données reçues, une fois le nœud voisin reçoit ces données,

il choisit un autre nœud d’une façon aléatoire pour lui transmettre ces données à son tour.

Malgré que cette approche évite le problème d’implosion en ayant une seule copie du

message au niveau de chaque nœud, elle prend beaucoup plus de temps pour propager les

messages dans tout le réseau.

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3. SPIN:

L'idée derrière le SPIN est de nommer les données en utilisant des descripteurs de haut

niveau ou des métas donnés. Avant la transmission, les méta- données sont échangées entre

les capteurs par un mécanisme de publicité de données. Chaque nœud recevant de

nouvelles données, l'annonce à ses voisins et ceux intéressés récupèrent les données en

envoyant une requête.

Méthode : Fonctionnement de SPIN

Les communications dans SPIN se font en trois étapes :

Lorsqu'un nœud veut émettre une donnée, il émet d'abord un message ADV contenant

une description de la donnée en question.

Un nœud recevant un message ADV, consulte sa base d'intérêt. S'il est intéressé par

cette information, il émet un message REQ vers son voisin.

En recevant un message REQ, l'émetteur transmet à l'intéressé la donnée sous forme

d'un message DATA.

Figure 9: le protocole SPIN. Le nœud A annonce ses données au nœud B (a). B répond

par une requête (b). B reçoit les données requises (c). B fait de la publicité à ses voisins (d)

qui répondent par des requêtes (e-f)

4. Diffusion dirigé :

Ce protocole utilise lui aussi un schéma de nommage sous forme de paire ≪ Attribue-

Valeur ≫ pour les requêtes et les données. Chaque nœud qui recense un événement crée et

diffuse un gradient au voisinage direct. La station de base, de son coté, diffuse ses requêtes

sous forme d’intérêt au voisinage direct; et chaque nœud recevant l’intérêt crée un gradient

vers le nœud source de cet intérêt. De cette manière, plusieurs routes reliant la station de

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base à la source de données sont réalisées; puis la meilleure route sera renforcée pour éviter

la redondance.

Définition : Gradient: Un gradient est un vecteur représentant l'intérêt. Il est caractérisé par une

direction et une amplitude : la direction est modélisée par le voisin émetteur de l'intérêt, et

l'amplitude est représentée par le débit de données. En plus, chaque entrée contient un

champ limitant la durée de validité du gradient.

Figure 10: Fonctionnement du protocole DD

DD est différent de SPIN en deux aspects:

1) dans SPIN, c’est les nœuds sources de données qui diffuse eux-mêmes les métas-data

pour que les autres nœuds qui les requièrent puissent les retrouver aisément lors de la phase

de recherche de données. Alors que, dans DD c’est la station de base qui diffuse les requêtes

sous forme d’intérêt.

2) dans DD la communication s’effectue de voisin a voisin ou chaque nœud agrège les

données et garde en mémoire le chemin de provenance, par contre, dans SPIN aucune

sauvegarde de route n’est opérée.

Cependant, les échanges fréquents et réguliers d’intérêts et de gradient peuvent générer

des surconsommations d’énergie au niveau des capteurs.

5. GAF (Geographic Adaptive Fidelity):

Proposé par Y. Xu et autres en 2001, ce protocole découpe le réseau en plusieurs zones

virtuelles; chaque nœud est affecte à une zone donne selon ses coordonnées géographiques

(en utilisant le GPS). Les nœuds appartenant a la même zone sont considéré comme

équivalents en cout de routage; ainsi, on choisit seulement un nœud de chaque zone pour

router les données et les autres sont misent en mode sommeil pour conserver de l’énergie. De

cette façon, la durée de vie du réseau est augmentée en fonction du nombre total des nœuds

inactifs.

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Dans GAF le nœud peut se retrouver dans l’un des trois cas possibles: (1)- Mode

découvert: pour déterminer ses voisins de zone; (2)- Actif: s’il participe dans le routage de

données et (3)- Endormi: s’il ne participe pas au routage.

Pour supporter la mobilité, chaque nœud estime et diffuse le temps nécessaire pour

quitter sa zone a ses voisins. Sur la base de ce temps ils estiment leurs temps de réveil pour

choisir celui qui va prendre le relais parmi eux.

Il faut noter que GAF ne prend pas en compte l’énergie du nœud lors du choix du

représentant, ce qui peut générer des trous dans le réseau une fois que ce dernier épuise son

énergie.

6. LEACH (Low-Energy Adaptive Clusting Hierarchy):

Le protocole LEACH est le plus populaire des protocoles de routage hiérarchique. Sont

principal avantage est de minimiser la consommation énergétique des éléments du réseau.

Dans ce protocole le réseau est divisé en clusters et chaque cluster possède un nœud maitre

appelé cluster-head. Ce dernier prend en charge la gestion de son cluster. Il est élu

périodiquement parmi les nœuds formant le cluster, en fonction de l’état de sa batterie.

7. PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor

Information Systems):

Il est considéré comme une optimisation de LEACH, propose par Lindsey et autres en

2002; PEGASIS regroupe les nœuds du réseau sous forme d’une longue chaine en se basant

sur le principe qui stipule qu’un nœud ne peut communiquer qu’avec le nœud le plus proche

de lui. Ainsi, il ajuste sa radio pour une communication très courte pour conserver son

énergie. Pour communiquer avec le puits, le processus est organise en rounds; au cours de

chaque round un seul nœud est autorise à communiquer avec le puits directement. Ce

privilège est accorde a l’ensemble des nœuds du réseau a tour de rôle. Une meilleure

conservation d’énergie est obtenue, également, en agrégeant les données sur chaque nœud du

réseau.

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III. Les principales classes des protocoles de routage :

Cette section présente trois classes principales de protocoles de routage dédiés aux RCSF,

à savoir les protocoles utilisant le routage plat, le routage hiérarchique ou le routage

géographique. Ces classes avec un ensemble de protocoles représentatifs existants sont

données dans la figure 11.

Figure11 : Les classes de protocoles de routage

1. Routage plat:

Dans le routage plat (flat routing), chaque nœud joue typiquement le même rôle et les

nœuds capteurs collaborent pour accomplir la tâche globale du réseau. En raison du nombre

important des nœuds capteurs, il n’est pas faisable d’assigner un identifiant global pour

chaque nœud. Cette considération a mené au routage centré-données, où la station de base

envoie des requêtes à certaines régions du réseau et attend des retours de données à partir

des nœuds capteurs situés dans ces régions.

Puisque des données sont demandées par le biais des requêtes, la désignation des

attributs est nécessaire pour indiquer les propriétés de ces données. Des premiers travaux sur

le routage centré-données, tels que les protocoles SPIN et la diffusion dirigée, ont enregistré

une économie d’énergie grâce à la négociation entre les nœuds du réseau et l’élimination des

données redondantes.

Figure 12 : Le routage Data-Centric

Comme la montre l’exemple d’une approche data-centric dans la

figure, les données provenant des deux sources sont agrégées au

nœud B. Ensuite, la donnée combinée (1+2) est envoyée de B vers

la destination.

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2. Routage hiérarchique : Les méthodes de routage hiérarchique ont des avantages spéciaux liés au passage à

l’échelle et à l’efficacité dans la communication. Par exemple, elles sont utilisées pour

exécuter un routage avec économie d’énergie dans les RCSF. Dans une architecture

hiérarchique, des nœuds à grande énergie peuvent être employés pour traiter et envoyer

l’information, alors que des nœuds à énergie réduite peuvent assurer la capture à proximité

de la cible. La création des clusters et l’assignation des tâches spéciales aux têtes de clusters

peuvent considérablement renforcer le passage à l’échelle, l’augmentation de la durée de vie

et l’efficacité énergétique du système global. Le routage hiérarchique est une manière

efficace de réduire la consommation énergétique dans un cluster en exécutant l’agrégation et

la fusion de données afin de diminuer le nombre de messages transmis à la station de base.

Figure13 : Le routage hiérarchique

3. Routage géographique :

A l’inverse des approches traditionnelles, le routage géographique présente des

propriétés intéressantes pour les réseaux maillés sans fil spontanés : il n’exige aucune

information sur la topologie globale puisqu’un nœud choisit le prochain saut parmi ses

voisins sur la base de la localisation de la destination. En conséquence, le mécanisme de

routage supporte le passage à l’échelle, parce qu’il utilise seulement des décisions locales.

Le routage géographique est simple, parce qu’il n’exige pas de tables de routage de sorte

qu’il n’y ait aucune surcharge de contrôle pour leur création et maintenance. La jointure du

réseau est également simple, parce qu’un nouveau nœud a besoin seulement d’une adresse

basée sur sa localisation géographique. De telles adresses peuvent être obtenues à partir d’un

dispositif dédié, par exemple GPS (Global Positioning System), ou par l’application de

mécanismes d’auto-localisation. La variante la plus familière du routage géographique est la

transmission en mode glouton (greedy) dans lequel un nœud transmet le paquet au voisin le

plus proche de la destination.

La transmission en mode glouton fonctionne en boucle ouverte, mais des paquets

peuvent être supprimés au niveau des nœuds bloqués qui ont seulement des voisins dans la

direction inverse par rapport à la destination. Les nœuds bloqués apparaissent dans quelques

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places proches des zones non-couvertes (des vides) ou près des obstacles à l’intérieur du

champ de déploiement du réseau. L’économie en énergie augmente ainsi en fonction du

nombre de nœuds en état de veille dans le réseau.

IV. Conclusion :

Nous avons essayé à travers ce chapitre de mettre le point sur les différents protocoles

de routage dédiés aux RCSFs, et les classer en trois classes différentes selon la structure du

réseau. Cette mise au point nous a permis de déduire que le protocole LEACH « protocole

hiérarchique » est le plus populaire des protocoles de routage. Cela nous a mené à faire une

étude complète de ce protocole proposés dans le chapitre qui suit.

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Le protocole LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering

Hierarchy):

1. Introduction :

Le protocole LEACH est le plus populaire des protocoles de routage hiérarchique, il

utilise un algorithme distribué ou chaque nœud décide d’une manière autonome s’il sera

Cluster Head ou non en calculant aléatoirement une probabilité pu et en le comparant a un

seuil T(u); puis, il informe son voisinage de sa décision. Chaque nœud non ClusterHead

décide du cluster à joindre en utilisant un minimum d’énergie de transmission (i.e. le plus

proche). L’algorithme se déroule en plusieurs rounds et pour chaque round, une rotation du

rôle du Cluster Head est initie selon la probabilité ≪ pu ≫ choisie et compare à la formule

suivante du seuil:

Ou :

p: le pourcentage des CHs sur le réseau (généralement 5%);

r: numéro du round en cours;

G: l’ensemble des nœuds qui n’était pas CH dans les (1/p) rounds précédentes;

2. Description de l’algorithme LEACH :

Chaque cluster-head alloue une durée bien déterminé à un voisinage pour établir un

lien de communication, d’où ces nœuds peuvent alors passer en mode endormi pendant le

reste du temps. Une fois que les clusters sont fixés, ces derniers sont appelés à consommer

beaucoup d’énergie, ce qui va engendrer la mort de ces nœuds. Pour éviter ce grave

problème, LEACH utilise la notion de cycles (Rounds). Au début de chaque cycle, chaque

nœud doit décider s’il doit être sélectionné comme un cluster en se basant sur un facteur

probabiliste et sur le fait qu’il n’était pas cluster-head dans les cycles antérieurs, ou bien il

doit joindre un cluster. Ainsi ce protocole dynamique permet de réduire énormément la perte

d’énergie causée par un statique clustering et permet alors d’étendre la durée de vie de

chaque nœud.

L’objectif de protocole LEACH est d’optimiser la consommation d’énergie afin

d’assurer une durée de vie plus longue au réseau d’une part et d’autre part il répartit la

charge entre les nœuds de telle sorte que la différence entre la mort du premier et du dernier

soit réduite.

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LEACH est considéré comme étant le premier protocole de routage hiérarchique basé

sur les clusters.

L’idée est de former des clusters de nœuds capteurs en se basant sur la puissance du

signal reçu et d'employer le cluster-head local comme routeur vers la station de base. Cela

économiserait de l’énergie puisque seul les cluster-head s’effectueront une transmission vers

le puits. Le nombre optimal de cluster-heads dans un réseau de capteurs est de 5% par

rapport au nombre total de nœuds. Tous les processus de données tel que la fusion et

l’agrégation sont locaux aux clusters.

Le cluster-head est élu périodiquement en fonction de son niveau d’énergie pour

équilibrer la consommation d’énergie des nœuds.

LEACH est totalement distribué et n’a besoin d’aucune connaissance globale du

réseau. Cependant il utilise un routage à saut unique où chaque nœud peut transmettre

directement au cluster-head. Mais il n’est pas applicable aux réseaux qui sont déployés sur

une grande surface. De plus, le clustering dynamique ajoute une grande sur charge comme le

changement des cluster-heads ce qui peut diminuer le gain en énergie.

Figure12 : Routage hiérarchique basé sur le clustering.

3. La durée de vie du réseau :

Au niveau du protocole LEACH, la durée de vie du réseau est faible, parce que dans

LEACH, les nœuds s’épuisent plus rapidement vue la distance entre les CHs et leurs

membres d’un côté et la distance entre les CHs et la station de base comme dans la figure13.

En effet, les phases d’initialisation c’est-à-dire les phases de formation de clusters qui

induisent un nombre important de messages de contrôle vont se faire à chaque nouveau

round impliquant une consommation d’énergie supplémentaire.

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Figure13 : La durée de vie du réseau au niveau de LEACH.

4. Conclusion :

LEACH préconise une agrégation de données au niveau des CHs pour plus de

conservation d’énergie. Cependant, plusieurs critiques sont apportées au protocole LEACH

relatives à ses hypothèses contraignantes de départ, à savoir:

- La possibilité de communiquer avec le puits à travers n’importe quel nœud du réseau

exige une consommation d’énergie importante des nœuds lointains. Ce qui rend le

protocole moins apte au passage à l’échelle ;

- L’agrégation des données est centrée au niveau des CHs, ce qui les rend les maillons

faibles du réseau;

- La rotation du rôle du CH sur l’ensemble des nœuds du cluster, permet d’une part

d’équilibrer la consommation de l’énergie du cluster. Mais, elle génère une sur

consommation d’énergie, car chaque rotation de CH nécessite une phase de diffusion

pour faire connaitre le nouveau CH;

- LEACH ne garantit pas une distribution homogène des CHs sur le réseau, car le seul

critère d’élection du CH est une probabilité aléatoire. Cela n’empêche pas une

concentration des CHs dans une région limitée au détriment de l’ensemble du réseau.

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Conclusion générale

Les réseaux de capteurs sans fil sont une réalité fonctionnelle et sont voués à se

développer rapidement du fait de la grande variété des domaines d’applications.

Evidemment, le caractère très discret des capteurs peut poser des problèmes de santé

(car ça ajoute encore des ondes à celles déjà existantes) mais aussi des problèmes d’éthique,

de sécurité ou de violation de la vie privée.

Dans le premier chapitre, nous avons défini ce qu’est un réseau de capteurs sans fil que

nous avons considéré comme un type particulier de réseau ad hoc. Puis, nous avons décrit

brièvement un réseau de capteur, ses applications, son architecture, ses principales

contraintes de conception et la consommation d’énergie.

Dans le deuxième chapitre, nous avons mis l’accent sur les principaux protocoles de

routage dans les réseaux de capteurs. Nous avons résumé les protocoles de routage dans les

réseaux de capteurs et classé les approches en trois catégories principales : les protocoles

hiérarchiques, les protocoles basés sur la localisation et les protocoles data-centric.

Enfin, Nous nous sommes concentrés sur un de ces protocoles de routage qui est le

protocole LEACH.