Introduction aux réseaux de capteurs

212/04/2023

Plan

Introduction. Présentation des réseaux de capteurs. Défis des WSNs. Techniques utilisées dans les WSNs. Conclusion.

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Introduction (1)

La miniaturisation des circuits électronique, l’adaptabilité et le faible cout des communications sans fils…

Une croissance des applications de surveillance, de protection et d’observation de l’environnement, aussi bien dans le domaine médical qu’écologique ou militaire.

Capteur : Petit dispositif électronique avec peu de mémoire et une faible capacité de calcul

Faibles possibilités technologiques

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Introduction (2)

La mise en réseau d’un grand nombre de capteur.

Envisager un grand nombre d’applications d’observation:

De l’environnement naturel (pollution, inondation, . . . ), Suivi d’écosystèmes (surveillance de niches d’oiseaux,

croissance des plantes, . . . ); Militaire (télésurveillance de champs de bataille, détection

d’ennemis, . . . ), Biomédical et surveillance médicale (détection de cancer,

rétine artificielle, taux de glucose, diabètes, . . . ), etc…

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Introduction (3)

Conserver la mise en réseau des capteurs: Accès au ressources; Routage; Diffusion; Sécurité…

En tenant compte des ressources limitées des capteurs et des contraintes de l’application.

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Présentation des RdC (1) Les réseaux de capteurs sont apparentés aux réseaux ad

hoc de point de vu infrastructure, architecture, autonomie d’énergie et utilisation des ondes radio pour communiquer.

Cependant, leurs spécificités, leurs objectifs et leurs besoins sont différents

Pour réussir une application utilisant les réseaux de capteurs:

Adapter les techniques et les protocoles existants… Concevoir des nouveaux concepts…

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Présentation des RdC (2)

Exemple d’un réseau de capteurs

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Présentation des RdC (3)

Architectures adoptées pour les réseaux de capteurs

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Défis des RdC (1) Consommation d’énergie C’est une métrique de performance très importante puisque

généralement les capteurs sont déployés dans des zones inaccessibles.

Latence C’est un critère déterminant dans les réseaux de capteurs car

Lorsqu'elle est optimisée l’usager peut intervenir rapidement à l’occurrence d’événement.

Couche MAC La spécificité des RdC nécessite le développement de

nouveaux protocoles MAC qui s’adaptent aux contraintes imposées par ces réseaux.

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Défis des RdC (2) Routage Un protocole de routage doit être performant en termes de:

Minimisation de la consommation de l’énergie; Choix des routes optimales pour l’acheminement de

l’information dans le réseau; Réduction du délai de délivrance des paquets;

Qualité de service Etablir des priorités entre les flux;Limiter les pertes de paquets vitaux pour la gestion du réseau.

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Défis des RdC (3) Diffusion de l’information Pour qu’un protocole de diffusion soit efficace, il faudrait:

Assurer une couverture maximale des capteurs composant le réseau;

Minimiser le nombre des réémetteurs et des réceptions redondantes;

Minimiser la consommation d’énergie. Sécurité Les algorithmes de cryptographie conçus pour les réseaux de

capteurs doivent tenir compte des ressources limitées que présentent ces réseaux.

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APPLICATION

TRANSPORT

RESEAU

LIAISON

PHYSIQUE

APPLICATION

TRANSPORT

RESEAU

LIAISON

PHYSIQUE

Cross layering- Principe générale

Mobilité La reconfiguration du réseau exige habituellement un nombre

important de messages de contrôle de la topologie, donc une dépense importante d’énergie.

Cross-layer Une coopération entre les couches permettent un compromis

entre performances, dépendance et flexibilité doit être proposée pour optimiser les capacités du réseau en général.

Défis des RdC (4)

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Technique de clustering Elle est proposée pour traiter les principaux défis dans les

réseaux de capteurs.

Cette technique vise à: Maintenir les informations de la topologie du réseau; Réduire l’overhead généré par la découverte de routes; Minimiser la consommation d’énergie en tenant compte de la

spécificité de ces réseaux.

Techniques utilisées dans les RdC (1)

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Clustering : Partitionner le réseau en un certain nombre de groupement (clusters), plus homogènes selon une métrique spécifique ou une combinaison de métriques.

Formation d’une topologie virtuelle.

Pour chaque cluster, on choisi un cluster-head. Les cluster-head supportent des fonctions additionnelles

comme l’agrégation des données et le routage.

Consomment plus d’énergie qu’un nœud ordinaire.

Techniques utilisées dans les RdC (2)

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La technique de clustering est la base de plusieurs protocoles de routage, de diffusion

Quelques techniques de clustering proposées pour les réseaux de capteurs: LEACH; Variantes de LEACH; HEED (Hybrid Energy-Efficient Distributed Clustering) PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information

Systems).

Techniques utilisées dans les RdC (3)

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L’algorithme LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy):

Un algorithme de clustering distribué pour le routage dans les réseaux de capteurs homogènes

LEACH choisit aléatoirement les nœuds cluster-heads et attribue ce rôle aux différents nœuds selon la politique de gestion Round-Robin (tour à tour).

Formation de clusters par LEACH

Techniques utilisées dans les RdC (4)

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Limites de LEACH : Suppose que tous les nœuds puissent transmettre des

données avec une grande puissance pour atteindre la station de base;

Choisit aléatoirement la liste des cluster-heads et ne pose aucune contrainte sur leur distribution ainsi que sur leur niveau d’énergie;

Nœuds isolées Transmission périodique des données vers la station de base.

Techniques utilisées dans les RdC (5)

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Variantes de LEACH: M-LEACH (Multi-hop LEACH): Les membres d’un cluster

peuvent être à plus d’un saut de leur cluster-head .(capteurs hétérogènes)

LEACH-C: Le choix des cluster-heads implique la station de base et l’information de localisation des capteurs.

BCDCP (Base-Station Controlled Dynamic Clustering Protocol) implique le niveau d’énergie des capteurs envoyé à la station de base pour construire des clusters homogènes

Techniques utilisées dans les RdC (6)

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HEED (Hybrid Energy-Efficient Distributed Clustering): Independent de la topologie du réseau et sa taille. Sélectionne les cluster-heads selon un critère hybride (l’énergie restante des nœuds et le degré des nœuds.

PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems):

Former une chaîne entre les nœuds de sorte que chaque nœud reçoive et communique à un voisin proche.

Evite la formation des clusters. Un seul nœud dans la chaîne doit envoi de données à la station de base.

Techniques utilisées dans les RdC (7)

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CBRP (Cluster Based Routing Protocol) : Un protocole de routage qui utilise l’algorithme "Plus Petit ID"

pour la formation des clusters.

Geographic Adaptive Fidelity (GAF): GAF est un protocole de routage basé sur la localisation des

nœuds consiste à partitionner la zone où les nœuds sont déployés en des petites zones formant des grilles virtuelles.

la fidélité du routage.

Techniques utilisées dans les RdC (8)

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Techniques de diffusion:

Diffusion par relais multipoints (MPR) Un réseau connexe Tous les voisins à deux sauts d’un nœud reçoivent correctement le message

Tous les nœuds pourront être joints (accessibles) à partir du nœud source. D’où l’efficacité de la diffusion.

Techniques utilisées dans les RdC (9)

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L’objectif de ce concept est de minimiser le nombre des nœuds qui réémettent le message de diffusion i.e. maximiser SRB (Saved ReBroadcast ).

Avec Nr : le nombre de nœuds recevant le message de diffusion Nt: le nombre de nœuds qui le transmet

r

tr

N

NNSRB

)(

Techniques utilisées dans les RdC (10)

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{f, g} nœuds relais du nœud d

On parle d’un nœud relais;

Il s’agit d’un problème NP-complet. les auteurs ont proposé une méthode heuristique pour trouver

une bonne approximation du sous-ensemble minimal.

Plus la cardinalité de ce sous-ensemble est petite, plus la diffusion sera efficace.

Techniques utilisées dans les RdC (11)

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Protocoles d’accès au medium:(Protocoles optimisant la consommation d’énergie)Les capteurs consomment de l’énergie dans deux cas:

Il communiquent entre eux; Traitent des informations en local.Estimation sur le niveau de consommation dans les deux cas:« Le transport de 1 ko de données sur 100m consomme autant

d’énergie que le traitement de 3 millions d’instructions ».Limiter les temps de communication

Techniques utilisées dans les RdC (12)

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Les chercheurs de l’université de Californie ont identifié quatre raisons de gaspillage d’énergie:

La collision; L’écoute passive; Utilisation de paquets de contrôle; Écoute non active.

Dans le modèle réseau, la couche MAC décide du mode de fonctionnement de transceiveur

Techniques utilisées dans les RdC (13)

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Protocole MAC synchronisés:S-MAC: Diviser le temps de fonctionnement de transceiver en

deux parties (active et endormi)Problème: Les capteurs fonctionne de manière indépendante Les capteurs doivent se synchronisés entre eux.D’autre part: Augmentation de la latence. Solution: Ecoute adaptative

Techniques utilisées dans les RdC (14)

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Avec la synchronisation: Surcout de transmission (Échange des paquets de contrôle) La synchronisation globale d’un RdC n’est garantie.

Protocole MAC avec préambule d’échantillonnage: Le transceiveur doit envoyer avant chaque transmission un

paquet préambule (des bits 0 et 1 alternativement) pour alerter le récepteur qu’il a des données à recevoir.

Protocole WiseMAC pour réduire le temps préambule.

Techniques utilisées dans les RdC (15)

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Références

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Conclusion

Les caractéristiques des réseaux de capteurs ont imposé la conception de nouveaux protocoles à différents niveaux.

La spontanéité, l’adaptabilité du réseau et la dynamicité de sa topologie dans le déploiement des RdC soulèvent de nombreuses questions encore ouvertes.