Gestion de la mobilité dans les réseaux de
capteurs sans fil

Architecture et types de réseaux de capteurs 

Principe Les nœuds capteurs sont généralement disséminés de manière aléatoire sur une zone à surveiller, et une station de base, généralement appelée puits (sink) et située à l’extrémité de cette zone, est chargée de récupérer les informations en provenance des capteurs.  Lorsqu’un événement se produit, une alerte est acheminée par le biais d’une communication multi-sauts vers le puits. Les données sont ensuite par des machines puissantes, les capteurs ne faisant donc que relever les informations nécessaires. La conception du Figure I.1 – Exemple de RCSF réseau de capteurs tel que décrit par la figure I.1 est influencée par de nombreux facteurs, y compris la tolérance de panne, l’évolutivité, les coûts de production, l’environnement d’exploitation, la topologie des réseaux de capteurs, les contraintes matérielles, le support de transmission et la consommation d’énergie.

Architecture d’un nœud capteur

S’il existe différents types de capteurs, leur fonctionnement reste le même. L’architecture d’un capteur, représentée en figure I.2, se résume ainsi [8] : ☛ un module de capture : il détecte les événements ayant lieu dans son rayon de perception ; ☛ un module de traitement : doté d’un processeur et d’une mémoire, il traite les données détectées et éventuellement les communique ; ☛ un module de communication : il se charge de la transmission et de la réception des données via un médium sans fil ; 

Architecture et types de réseaux de capteurs

Figure I.2 – Architecture d’un nœud capteur ☛ un module de localisation (optionnel) : il peut s’agir d’un système GPS ou d’un autre système de localisation qui donne au capteur sa position exacte ; ☛ un module de mesure (optionnel) : il mesure la distance ou l’angle avec un capteur voisin ; ☛ une batterie : elle alimente tous les autres modules. Chacun d’entre eux est alimenté par la batterie. La consommation d’énergie est essentiellement due aux modules de communication sans fil et de traitement des données. Le module optionnel de localisation est également une source de consommation d’énergie non négligeable. Pour prolonger la durée de vie des réseaux de capteurs, il est donc indispensable de minimiser les calculs et les communications. Ces contraintes majeures doivent être prises en compte par les méthodes proposées pour ce type de réseau. Les figures I.3 et I.4 sont des exemples de capteurs alimentés par deux piles.

Architecture d’un réseau de capteurs

Un réseau de capteurs consiste typiquement en un large nombre de nœuds capteurs densément déployés dans une région d’intérêt, et une plusieurs sinks de données ou stations de base sont positionnées autour ou à l’intérieur de la région de captage. Le(s) sink(s) envoie (ent) des requêtes ou commande les nœuds capteurs dans la région de captage alors  que les capteurs collaborent pour accomplir la tâche de captage et envoient les données captées au(x) sink(s). Pendant ce temps, le(s) sink(s) sert aussi de passerelle aux réseaux externes, par exemple l’internet. Il collecte les données des capteurs, effectue un traitement simple des données collectées, et ensuite envoie l’information relevée (ou les données traitées) via l’internet aux utilisateurs. Pour envoyer des données au sink, chaque nœud capteur peut utiliser une transmission longue-distance mono-saut, ce qui conduit à l’architecture de réseau mono-saut, comme le montre la figure I.6. Toutefois, une transmission longue-distance est coûteuse en termes de consommation d’énergie. Dans les réseaux de capteurs, l’énergie consommée pour la communication est beaucoup plus élevée que pour le captage et le calcul. Par exemple, l’énergie consommée pour transférer un bit de données à un récepteur à 100 m est égale à celle nécessaire pour exécuter 3000 instructions. En outre, l’énergie consommée pour transmission domine l’énergie totale consommée pour la communication et la puissance de transmission nécessaire de transmission augmente de Mémoire de DEA d’Informatique 

Architecture et types de réseaux de capteurs façon exponentielle avec la distance de transmission

Par conséquent, il est souhaitable de réduire la quantité de trafic et la distance de transmission afin d’accroître les économies d’énergie et de prolonger la durée de vie du réseau. À cette fin, une communication monoFigure I.5 – Architecture d’un réseau de capteur Figure I.6 – Architecture d’un réseau mono-saut saut de courte distance est fortement conseillée. Dans la plupart des réseaux de capteurs, les nœuds sont densément déployés et les nœuds voisins sont proches les uns des autres, ce qui rend possible d’utiliser une communication courte-distance.  Dans une communication multi-sauts, un nœud capteur transmet ses données captées vers le sink via un ou plusieurs nœuds intermédiaires, ce qui peut réduire la consommation d’énergie pour la communication. L’architecture d’un réseau multi-sauts peut être organisée en deux types : plate et hiérarchique [10]. 1.3.1 Architecture d’un réseau plat Dans un réseau plat, chaque nœud joue le même rôle dans l’exécution d’une tâche de détection et de tous les nœuds de capteurs sont des pairs. En raison du grand nombre de nœuds, il n’est pas possible d’attribuer un identifiant global à chaque nœud dans un réseau de capteurs. Pour cette raison, la collecte de données s’effectue généralement en utilisant un routage data-centric, où le collecteur de données transmet une requête à tous les nœuds dans la région de captage via une inondation (flooding) et seuls les nœuds capteurs qui ont les données correspondant à la requête répondent au sink. Chaque nœud capteur communique avec le sink via un chemin multi-sauts et utilise ses nœuds pairs en tant que relais. La figure I.7 montre l’architecture typique d’un réseau plat. Figure I.7 – Architecture d’un réseau plat Mémoire de DEA d’Informatique 8 I.1 Architecture et types de réseaux de capteurs 1.3.2 Architecture hiérarchique Dans un réseau hiérarchique, les capteurs sont organisés en clusters, où les membres du cluster envoient leurs données aux cluster-heads tandis que les cluster-heads servent de relais pour transmettre les données au sink. Un nœud à faible énergie peut être utilisé pour effectuer la tâche de captage et d’envoyer les données captées à son cluster-head à une courte distance, tandis qu’un nœud avec plus d’énergie peut être choisi comme clusterhead pour traiter les données des membres de son cluster et de transmettre les données traitées au sink. Ce processus peut non seulement réduire la consommation d’énergie pour la communication, mais aussi équilibrer la charge de trafic et améliorer la scalabilité lorsque la taille du réseau augmente. Comme tous les nœuds capteurs ont la même Figure I.8 – Architecture d’un clustering mono-saut capacité de transmission, le clustering doit être effectué périodiquement afin d’équilibrer la charge de trafic entre tous les nœuds capteurs. En outre, l’agrégation des données peut être réalisée aux cluster-heads pour réduire la quantité de données transmise au sink et d’améliorer l’efficacité énergétique du réseau. Le problème majeur avec le clustering est de savoir comment sélectionner les cluster-heads et comment organiser les clusters. Dans ce contexte, il existe de nombreuses stratégies de clustering. Selon la distance entre les membres des clusters et leurs chefs (cluster-heads), un réseau de capteurs peut être organisé en une architecture de clustering mono-saut ou multi-sauts, comme le montrent les figures I.8 et I.9.