Optimisation centralisée et distribuée de la durée de vie des réseaux de capteurs sans fil - slide

Université Gaston Berger de Saint-Louis
UFR de Sciences Appliquées et de Technologie
Section Informatique

Présentation d’un mémoire de
Master Recherche d’Informatique
2010-2011

SUJET:
OPTIMISATION CENTRALISEE ET DISTRIBUEE
DE LA DUREE DE VIE DES RESEAUX DE CAPTEURS

Par Sous l’encadrement de
Papa Cheikh CISSE Pr. Ousmane THIARE

Plan
Introduction
Généralités sur les RdCsF
 Anatomie d’un nœud capteur
 Architecture du réseau de capteurs
 Architecture en couches
 Les différentes applications des RdCsF
 Les contraintes de conception et d’exploitation

Techniques d’optimisation
 Le concept de durée de vie d’un RdCsF
 Techniques centralisées
 Techniques distribuées

Conclusion et perspectives …
2

Introduction

Avancées de la
microélectronique et des
technologies sans fil lors de
ces dernières décennies
• Miniaturisation progressive des
équipements
• Apparition des nœuds capteurs Source image: [1]

Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 4

Introduction

Quelques
exemples de
nœud capteur

Source image: [2]


Introduction

Avec l’apparition des nœuds capteurs :
• Contrôle et suivi des phénomènes physiques beaucoup plus
aisés.
• Applications jadis irréalisables devenues désormais possibles.


Introduction

Les capteurs sont:
 déployés dans un environnement
 capables de recueillir, de traiter et d’acheminer les données
provenant de cet environnement
 capables de communiquer entre eux


Introduction

 Un réseau de capteurs est donc un
ensemble de capteurs utilisés de
façon collaborative
 A l’origine d’applications poussées
dans les domaines de:
• la médecine
• l’armée
• la domotique
• l’industrie
• ...


Introduction

 Le plus souvent déployés dans des milieux hostiles :
• une maintenance difficile et une défaillance fréquente
• algorithmes et protocoles des réseaux sans fils inadaptés
• nouvelles techniques mises au point


Généralités sur les RdCSF

Introduction




11

Anatomie d’un nœud capteur

Un nœud capteur est
constitué de ces
éléments :
• une unité
d’acquisition
• une unité de traitement
• une unité de transmission de données
• une source d’énergie



constitué de ces
éléments :
• une unité d’acquisition
• une unité de
traitement



constitué de ces
éléments :
• une unité de
transmission de
données



constitué de ces
éléments :



 Architecture du réseau de
capteurs

16

Architecture du réseau de capteurs

Individuellement, les capteurs:
• collectent des données
• les traitent localement

Utilisés en grand nombre,
• ils constituent un réseau d’équipements sans fil
• ils communiquent entre eux
• ils peuvent acheminer les données



Un réseau de capteurs comprend:
• un ensemble de nœuds capteurs
• la zone d’intérêt
• un ou plusieurs « sink »



architecture plane
Vs
architecture
hiérarchisée



20

Architecture en couches

 Décomposition en couches des
processus mis en œuvre dans les RdcSf
 Possibilité de traiter en parallèle les
fonctions attribuées à chaque couche



la couche application
• interface avec les applications
• couche la plus proche de l’utilisateur directement
gérée par les logiciels
• …



la couche transport
• accès au système de capteurs depuis internet ou
n’importe quel autre réseau
• transport des données, découpage en paquets,
contrôle de flux
• …



la couche réseau
• routage des données
• transmission fiable des données vers le « sink »
• …

24
Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com


la couche liaison de données :
• politique d’accès au médium de transport
• éviter les collisions
• corriger les erreurs de transmission
• gère l’accès et le partage du canal (CSMA/CA)
• …

25


la couche physique
• modulation, réception et émission
• sélection du canal
• estimation de la qualité du signal
• radio on/off
• …

26


le plan gestion de l’énergie
• le but est de réduire la consommation d’énergie
• contrôle l’utilisation de la source d’énergie
• …

27


le plan gestion de la mobilité
• déplacement du nœud capteur
• détection de la mobilité des nœuds voisins
• …

28


le plan gestion des tâches
• coordination des tâches de détection et de
transmission
• faire collaborer les nœuds du réseau
• …

29

 Les différentes applications
des RdCsF

30

Les applications des RdCsF

 Nouvelle vague d’applications envisageables
 Capteurs + Processeur + Radio = une centaine d’applications
potentielles
 Les réseaux de capteurs sans fil trouvent de multiples applications dans :
• le milieu de la santé,
• le domaine militaire,
• le secteur environnemental,
• l’ environnement domestique,
• le cadre commercial,
• …

31


Applications médicales
• surveillance, diagnostic patients
• surveiller sans besoin d’alitement , l’état de santé des personnes âgées [3]
• progression de la transformation et déplacement des bactéries et insectes
• …

Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com 32


Applications médicales
Intel a déployé un réseau de 130 nœuds capteurs pour
surveiller l’activité de personnes âgées dans une maison
de repos

33


Applications militaires
• Parmi les premiers et principaux domaines utilisant les réseaux de capteurs
• Technologie très tôt financée par la DARPA dès les années 80
• surveillance champs de bataille et traque de cibles
• gestion munitions et équipements
• reconnaissance et détection d’attaques biologiques, nucléaires
• …

34


Applications militaires

Un projet de l’université de Berkeley
consistant à suivre la trace de véhicules
militaires.

35


Applications environnementales
• lutte contre les feux de brousse
• surveillance de l’état des cultures et des récoltes
• étude des mouvements des oiseaux et autres animaux
• contrôler l’irrigation des terres
• …

36


Applications environnementales
illustration d’un système de détection de feux de brousse
grâce aux réseaux de capteurs réalisé en Espagne
http://www.libelium.com/wireless_sensor_networks_to_detec_forest_fires/

37


Applications domestiques
• gestion de l’énergie dans la maison, de l’éclairage, du chauffage
• la vidéosurveillance, le gardiennage, …
• fonctions de confort, de sécurité, de communication, etc.
• capteurs intégrés aux téléphones, aux ordinateurs, aux voitures.
• l’aspirateur, le réfrigérateur, la télévision, sans compter le four à
micro-ondes.

38

 Les contraintes de conception
et d’exploitation

39

Les contraintes de conception et
d’exploitation

 Quelques difficultés dans la mise en place et l’exploitation
d’un réseau de capteurs.

 À prendre en compte lors de la conception d’algorithmes et de
protocoles

40

d’exploitation

 la tolérance aux fautes

aptitude d’un système à accomplir ses tâches
malgré la présence ou l’occurrence de fautes


d’exploitation

 le passage à l’échelle

• capteurs déployés en centaines voire en milliers
• applications et protocoles des RdCsf doivent être capables
de s’adapter au nombre extensible de nœuds.

42

d’exploitation

 l’aspect coût

• plus le réseau est large, plus il est coûteux
• le coût d’un nœud influence celui du réseau
• composant supplémentaire = coût
supplémentaire

43

d’exploitation

 les contraintes matérielles

• contrainte de taille: jusqu’à combien de composants le
nœud pourra t-il regrouper vue sa taille ?
• contrainte de poids: le nœud doit, pour certains usages,
peser assez léger
• ces contraintes entrainent une puissance de calcul et des
fonctionnalités réduites

44

d’exploitation

 l’environnement du réseau

• environnement très souvent hostile
• variation fréquente de la topologie due aux
pannes répétées des nœuds

45

d’exploitation

 la consommation d’énergie

• recharge manuelle quasi impossible
• contrainte au cœur de toutes les autres
• réduire la consommation d’énergie permet d’optimiser
la durée de vie du réseau

46

Plan
Introduction


47

 La durée de vie d’un réseau de
capteurs sans fil

48

La durée de vie d’un réseau de
capteurs sans fil

Souvent considérée comme la durée qui s’écoule depuis la mise en place du
réseau

 jusqu‘à l‘épuisement de la source d‘énergie d'un premier nœud.
 jusqu'au moment où le nombre de capteurs épuisés atteint un seuil déterminé.
 jusqu'au moment où celui-ci devient incapable d'accomplir les tâches qui lui
sont assignées.


La durée de vie d’un réseau de
capteurs sans fil

Consommation d’énergie du nœud capteur :

 détection
 traitement de données
 communication


 La durée de vie d’un réseau de capteurs sans fil


51

Techniques centralisées

Etudiés grâce aux 3 travaux de:
 Berman et al.
 Zhang et Hou et
 Cardei et al.



L’algorithme de Berman et al. :
 technique de redondance et d’ordonnancement (duty cycling)
 trouver un planning de couverture {(C1, t1),…,(Ck, tk)} avec t1+…+tk le plus maximal
possible



L’algorithme de Zhang et Hou:

 choix d’un maximum de sous ensembles disjoints de nœuds capables
de couvrir la zone
 planification de l’activité de chaque sous ensemble pendant un round



L’algorithme de Cardei et al. :
 considère la zone d’intérêt comme un ensemble de points
 d’ensembles de couverture non-disjoints
choix d’ un nombre maximal
activés successivement
 couverture de toute la zone d’intérêt assurée par les nœuds de l’ensemble de
couverture momentanément actif


 La durée de vie d’un réseau de capteurs sans fil


56

Techniques distribuées

L’algorithme LEACH
 LEACH : Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy
 Auto-organisation des nœuds en clusters avec des « chefs de cluster »
 Les nœuds deviennent chef de cluster à tour de rôle grâce à une rotation aléatoire
 Fusion locale des données au sein des clusters



i. phase d’initialisation
ii. phase constante ou de transmission de données

réduction d’ordre de 8 de la consommation d’énergie comparée avec la transmission
directe



i. phase d’initialisation:
 divisée en rounds
 les clusters et les chefs de clusters y sont déterminés pour chaque round
 planification des tâches de chaque nœud ordinaire par le chef de cluster



ii. phase constante ou de transmission de données:
 dispositifs radio du chef de cluster et des nœuds émetteurs actifs
 dispositifs radio des autres nœuds ordinaires éteints
 communication depuis les nœuds ordinaires vers les chefs de clusters
puis depuis ceux-ci vers la station de base



iii. performance:
 réduction d’ordre de 8 de la consommation d’énergie comparée avec la
transmission directe
 homogénéité du réseau grâce à la rotation aléatoire



ASCENT
 Adaptive Self-Configuring Sensor Networks Topologies
 Choix d’un ensemble de nœuds tout le temps actif
 défaillance d’un nœud entraine l’activation d’un autre grâce aux
messages help du « sink »



Le protocole PEAS
 Probing Environment Adaptive Sleeping
 adapté aux environnements sévères
 l’état des nœuds voisins est négligé



Le protocole PEAS
i. PROBING ENVIRONMENT
 maintien un nombre suffisant de nœuds
 détermine quels nœuds devraient fonctionner
 comment un nœud qui vient de se « réveiller » décide s’il doit se « rendormir » ou
pas



Le protocole PEAS
i. PROBING ENVIRONMENT
1. nœuds initialement en veille avec période de leur « réveil » aléatoirement distribué
2. chaque nœud « réveillé » envoie un message PROBE au sein d’un plage Rp
3. les nœuds en activité au sein de Rp envoient une réponse REPLY
4. Si aucune réponse REPLY n’est reçue alors le nœud entre en activité
5. sinon il repart en veille pour une durée aléatoire déterminée grâce à ADAPTIVE
SLEEPING



Le protocole PEAS
ii. ADAPTIVE SLEEPING
 maintien du nombre « d’éveils » constant
 ajuster pour chaque nœud actif le « réveil » de ses voisins conséquemment à sa
durée de vie



Le protocole PEAS
ii. ADAPTIVE SLEEPING
1. le nœud actif intègre un taux l aux messages REPLY qu’il envoie
2. le nœud en état « probe » adapte ainsi sa durée de veille par rapport à cette
information reçue


Plan
Introduction


68

Conclusion et perspectives

Conclusion

 réseaux de capteurs sans fil assez pratique donc utilisés dans
plusieurs domaines

 cependant, beaucoup de contraintes
 mise en place de techniques pour gérer la contrainte de la durée
de vie



Perspectives

 Conception d’une technique d’optimisation
hybride

 Mise en place d’une application de rdcsf grâce à
cette technique



“ Just as the personal
computer was a symbol
of the ‘80s, and the
symbol of the ‘90s is the
World Wide Web, the
next nonlinear shift, is
going to be the advent of
cheap sensors.”
Paul Saffo,
Institute for the Future

71

Références

[1] D. Orban, The Future of Social Objects. In Internetome, The Internet Of
Things Conference, London, November 10th, 2010.
[2] A. Makhoul. Réseaux de capteurs : localisation, couverture et fusion de
données. Thèse de doctorat, LIFC, école SPIM, Novembre 2008.
[3] P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, and K. Premaratne. The mobile patient :
wireless distributed sensor networks for patient monitoring and care. In
Proceedings 2000 IEEE EMBS International Conference on Information
Technology Applications in Biomedicine, pages 17-21, 2000.
[4] J. L. Hill, System architecture for wireless sensor networks, Thèse
de doctorat à l’Université de Californie Berkeley, 2003.

73

Slide et document disponibles sur :
www.slideshare.net/pacheikhcisse/wsnlo
www.scribd.com/doc/43242/wsnlo

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