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PlanIntroductionGénéralités sur les RdCsF   Anatomie d’un nœud capteur   Architecture du réseau de capteurs   Architect...
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 Anatomie d’un nœud capteur   Architecture du réseau de capteurs   Architecture en couches   Les différentes applicati...
Anatomie d’un nœud capteur      Un nœud capteur est      constitué de ces      éléments :      •     une unité            ...
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 La durée de vie d’un réseau de  capteurs sans fil   Techniques centralisées   Techniques distribuées                  ...
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La durée de vie d’un réseau de                                    capteurs sans fil         Consommation d’énergie du nœud...
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Conclusion et perspectives         Perspectives          Conception d’une technique d’optimisation           hybride     ...
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Références[1] D. Orban, The Future of Social Objects. In Internetome, The Internet Of    Things Conference, London, Novemb...
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  1. 1. 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 DISTRIBUEEDE LA DUREE DE VIE DES RESEAUX DE CAPTEURS Par Sous l’encadrement de Papa Cheikh CISSE Pr. Ousmane THIARE
  2. 2. PlanIntroductionGénéralités 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’exploitationTechniques d’optimisation Le concept de durée de vie d’un RdCsF Techniques centralisées Techniques distribuéesConclusion et perspectives … 2
  3. 3. 3
  4. 4. 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
  5. 5. Introduction Quelques exemples de nœud capteur Source image: [2]Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 5
  6. 6. Introduction Avec l’apparition des nœuds capteurs : • Contrôle et suivi des phénomènes physiques beaucoup plus aisés. • Applications jadis irréalisables devenues désormais possibles.Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 6
  7. 7. 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 euxPapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 7
  8. 8. 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 • ...Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 8
  9. 9. 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 pointPapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 9
  10. 10. Généralités sur les RdCSFIntroductionGénéralités 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’exploitationTechniques d’optimisation Le concept de durée de vie d’un RdCsF Techniques centralisées Techniques distribuéesConclusion et perspectives …
  11. 11.  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 11
  12. 12. 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’énergiePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 12
  13. 13. 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’énergiePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 13
  14. 14. 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’énergiePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 14
  15. 15. 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’énergiePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 15
  16. 16.  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 16
  17. 17. 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 donnéesPapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 17
  18. 18. Architecture du réseau de capteurs Un réseau de capteurs comprend: • un ensemble de nœuds capteurs • la zone d’intérêt • un ou plusieurs « sink »Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 18
  19. 19. Architecture du réseau de capteurs architecture plane Vs architecture hiérarchiséePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 19
  20. 20.  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 20
  21. 21. Architecture en couches  Décomposition en couches des processus mis en œuvre dans les RdcSf  Possibilité de traiter en parallèle les fonctions attribuées à chaque couchePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 21
  22. 22. Architecture en couches la couche application • interface avec les applications • couche la plus proche de l’utilisateur directement gérée par les logiciels • …Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 22
  23. 23. Architecture en couches 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 • …Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 23
  24. 24. Architecture en couches la couche réseau • routage des données • transmission fiable des données vers le « sink » • … 24Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  25. 25. Architecture en couches 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) • … 25Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  26. 26. Architecture en couches la couche physique • modulation, réception et émission • sélection du canal • estimation de la qualité du signal • radio on/off • … 26Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  27. 27. Architecture en couches le plan gestion de l’énergie • le but est de réduire la consommation d’énergie • contrôle l’utilisation de la source d’énergie • … 27Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  28. 28. Architecture en couches le plan gestion de la mobilité • déplacement du nœud capteur • détection de la mobilité des nœuds voisins • … 28Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  29. 29. Architecture en couches le plan gestion des tâches • coordination des tâches de détection et de transmission • faire collaborer les nœuds du réseau • … 29Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  30. 30.  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 30
  31. 31. 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, • … 31Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  32. 32. Les applications des RdCsF 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
  33. 33. Les applications des RdCsF Applications médicales Intel a déployé un réseau de 130 nœuds capteurs pour surveiller l’activité de personnes âgées dans une maison de repos 33Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  34. 34. Les applications des RdCsF 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 • … 34Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  35. 35. Les applications des RdCsF Applications militaires Un projet de l’université de Berkeley consistant à suivre la trace de véhicules militaires. 35Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  36. 36. Les applications des RdCsF 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 • … 36Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  37. 37. Les applications des RdCsF 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/ 37Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  38. 38. Les applications des RdCsF 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. 38Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  39. 39.  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 39
  40. 40. 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 40Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  41. 41. Les contraintes de conception et d’exploitation  la tolérance aux fautes aptitude d’un système à accomplir ses tâches malgré la présence ou l’occurrence de fautesPapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com 41
  42. 42. Les contraintes de conception et 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. 42Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  43. 43. Les contraintes de conception et 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 43Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  44. 44. Les contraintes de conception et 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 44Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  45. 45. Les contraintes de conception et d’exploitation  l’environnement du réseau • environnement très souvent hostile • variation fréquente de la topologie due aux pannes répétées des nœuds 45Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  46. 46. Les contraintes de conception et 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 46Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com
  47. 47. PlanIntroductionGénéralités 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’exploitationTechniques d’optimisation Le concept de durée de vie d’un RdCsF Techniques centralisées Techniques distribuéesConclusion et perspectives … 47
  48. 48.  La durée de vie d’un réseau de capteurs sans fil Techniques centralisées Techniques distribuées 48
  49. 49. 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 dun premier nœud.  jusquau moment où le nombre de capteurs épuisés atteint un seuil déterminé.  jusquau moment où celui-ci devient incapable daccomplir les tâches qui lui sont assignées.Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com 49
  50. 50. La durée de vie d’un réseau de capteurs sans fil Consommation d’énergie du nœud capteur :  détection  traitement de données  communicationPapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com 50
  51. 51.  La durée de vie d’un réseau de capteurs sans fil Techniques centralisées Techniques distribuées 51
  52. 52. Techniques centralisées Etudiés grâce aux 3 travaux de:  Berman et al.  Zhang et Hou et  Cardei et al.Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 52
  53. 53. Techniques centralisées 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 possiblePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 53
  54. 54. Techniques centralisées 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 roundPapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 54
  55. 55. Techniques centralisées 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 actifPapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 55
  56. 56.  La durée de vie d’un réseau de capteurs sans fil Techniques centralisées Techniques distribuées 56
  57. 57. 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 clustersPapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 57
  58. 58. Techniques distribuées L’algorithme LEACH 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 directePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 58
  59. 59. Techniques distribuées L’algorithme LEACH 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 clusterPapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 59
  60. 60. Techniques distribuées L’algorithme LEACH 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 basePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 60
  61. 61. Techniques distribuées L’algorithme LEACH iii. performance:  réduction d’ordre de 8 de la consommation d’énergie comparée avec la transmission directe  homogénéité du réseau grâce à la rotation aléatoirePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 61
  62. 62. Techniques distribuées 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 »Papa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 62
  63. 63. Techniques distribuées Le protocole PEAS  Probing Environment Adaptive Sleeping  adapté aux environnements sévères  l’état des nœuds voisins est négligéPapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 63
  64. 64. Techniques distribuées 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 pasPapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 64
  65. 65. Techniques distribuées 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 SLEEPINGPapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 65
  66. 66. Techniques distribuées 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 viePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 66
  67. 67. Techniques distribuées 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 reçuePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 67
  68. 68. PlanIntroductionGénéralités 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’exploitationTechniques d’optimisation Le concept de durée de vie d’un RdCsF Techniques centralisées Techniques distribuéesConclusion et perspectives … 68
  69. 69. 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 viePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 69
  70. 70. Conclusion et perspectives Perspectives  Conception d’une technique d’optimisation hybride  Mise en place d’une application de rdcsf grâce à cette techniquePapa Cheikh CISSE, http://pacheikh.wordpress.com, @pacheikhcisse 70
  71. 71. Conclusion et perspectives “ 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
  72. 72. 72
  73. 73. 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
  74. 74. Slide et document disponibles sur : www.slideshare.net/pacheikhcisse/wsnlo www.scribd.com/doc/43242/wsnlo Vous pouvez me retrouver sur …merci ! 74
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