Réseaux capteurs sans fil

La principale tâche d’un réseau inter-machines est de permettre l’échange d’information entre des entités autonomes et automatisées telles que des capteurs, des effecteurs ou des robots. Le principe étant de collecter de l’information de différentes sources pour l’acheminer vers une ou plusieurs destinations. De manière générale, ces réseaux sont autoorganisés et ne nécessitent pas d’infrastructure fixe. Ils utilisent des algorithmes qui permettent de maintenir une connectivité maillée ou hiérarchique afin d’acheminer des messages en multi-sauts qui transportent des grandeurs physiques caractérisant une zone géographique donnée (température, pression, etc.) L’attrait majeur de ce type de réseau étant la possibilité de création de services robustes, contextualisés et facilement maintenables en un minimum de temps et de coûts de déploiement. Durant ces dernières années, un grand nombre d’implémentations expérimentales et commerciales de ces réseaux ont vu le jour [1], [2] avec l’objectif d’offrir un accès bon marché à des applications jusqu’alors inaccessibles car irréalisables avec des technologies d’infrastructure. Ces applications sont amenées à se généraliser dans l’avenir, promettant des services ubiquitaires que ce soit pour l’industrie automatisée, la gestion des catastrophes, la domotique ou les villes intelligentes. Minimiser la taille, le nombre des messages générés par le réseau et l’énergie nécessaire pour les transmettre, tout en garantissant des performances décentes, est la problématique majeure traitée dans la littérature des réseaux inter-machines [3] et de capteurs sans fil [4]. Depuis presque 30 ans, des solutions à ces problèmes sont proposées, que ce soit par des efforts d’optimisation matérielle ou logicielle [5]. D’autres approches plus théoriques se focalisent sur des améliorations protocolaires optimisant les algorithmes de routage [6], les méthodes d’accès au canal [7] ou encore les mécanismes de fiabilisation du réseau [8]. Analogie avec les réseaux ad hoc : de la même façon que pour les réseaux ad hoc sans fil, le déploiement d’un réseau de capteurs s’affranchit par définition de l’utilisation d’infrastructures fixes. Les messages y sont délivrés en utilisant un routage de proche-en-proche et des retransmissions en cas de pertes. Comparés à des réseaux d’infrastructure, ces systèmes peuvent offrir la même couverture réseau en transmettant moins de messages et en garantissant des coûts de déploiement beaucoup plus faibles [9]. Cependant, bien que conceptuellement les réseaux de capteurs puissent être considérés comme des réseaux ad hoc, ils n’en demeurent pas moins un cas très particulier. Le routage y est fortement lié à l’application du réseau et au type de nœuds qui le composent. La nature du trafic et les spécificités des nœuds en font un routage directionnel basé sur des critères de performances tels que l’énergie, la complexité et la tolérance aux pannes. De plus, les communications dans un réseau de capteurs servent à la collecte ou la dissémination de l’information et peuvent utiliser des mécanismes d’agrégation ou de compression des données [10]. 

Applications et architectures

D’un point de vue applicatif, les réseaux de capteurs peuvent être classés en deux types d’architectures génériques[3] : a. Architecture semi-automatisée. Elle correspond à l’utilisation originelle des réseaux de capteurs (communément appelée WSN). Elle concerne des applications où l’information est collectée puis envoyée vers une passerelle (cf. Figure 1.a) afin de proposer des services de supervision dans un environnement quelconque. Dans ce cas, les communications sont initiées par les nœuds qui collectent les données à la demande ou non du destinataire qui s’occupe du traitement de celles-ci. Utilisés d’abord dans les systèmes de défense, ces services se sont étendus à des usages aussi variés que la supervision d’infrastructure, la télésurveillance ou la protection de l’environnement.

Architecture automatisée

représente une nouvelle gamme d’applications des réseaux de capteurs (appelée WSAN) apparue grâce à l’émergence du concept d’actuateur ou effecteur. Ce dernier est un composant matériel (ex. moteurs, robots, interrupteur, etc.) disposant des mêmes caractéristiques de transmission qu’un capteur. Ce type de réseau diffère des architectures classiques de collecte ou de supervision. Ici, le système est capable d’agir sur son environnement en faisant coexister et interagir des capteurs et des effecteurs dans le but d’automatiser une action donnée (cf. Figure 1.b).  Figure 1. Classes d’architectures des réseaux de capteurs sans fil La prise de décision basée sur le « quand » et le « où » accomplir ces actions est définie par les informations collectées sur les capteurs. Ces réseaux sont évidemment utiles dans des applications industrielles telles que les chaines de productions et les chantiers, mais aussi en automatisation d’infrastructure (ex. domotique, bâtiments intelligents, etc.). Considérées aussi comme la pierre angulaire de l’internet des objets [11], ces architectures promettent une large expansion dans un futur proche comme la littérature prolifique sur le sujet tend à le démontrer. D’autres classifications plus détaillées ont pu être proposées dans la littérature comme [12] qui prend en compte la mobilité des nœuds ou [13] qui se base sur la densité du réseau. Cependant, afin de garder une certaine généricité, nous considérons les architectures décrites ci-dessus, et traiterons les cas moins génériques comme des cas particuliers. 2.1.2. Caractéristiques réseaux Dans un réseau de capteurs, les nœuds sont équipés de modules de mesure (température, vitesse, pression, etc.), d’un microcontrôleur, d’un système d’alimentation autonome et d’un module de communication RF à faible consommation. Ces nœuds sont pour la plupart caractérisés par des limitations fortes en termes de capacités de calcul, de mémoire et d’énergie. Ce sont ces spécificités qui font des réseaux de capteurs sans fil des systèmes à débit relativement faible (~100kb/s) comparés aux réseaux ad hoc sans fil par exemple. De plus, les réseaux de capteurs sans fil sont généralement basés sur des méthodes d’accès au canal peu gourmandes en contrôle, telles que CSMA/CA, et des algorithmes de routage réactifs comme AODV [14] ou le routage hiérarchique. Les mécanismes de fiabilisation de flux de proche-en-proche (ex. les messages RTS/CTS) et de bout-en-bout (ex, TCP) y sont évités parce que bien trop pénalisants pour le réseau. Tout cela fait que la qualité et le coût énergétique des communications sans fil dans ces réseaux dépendent non seulement de leur environnement physique, mais aussi du type de matériel ainsi que de la bande de fréquence et du type de modulation utilisée [1]. Ainsi, lors d’une communication sans fil de bout-en-bout, un acheminement en multi-saut peut parfois s’avérer moins couteux en termes d’énergie et de qualité de service qu’un acheminement à un seul saut.