Memoire_2010_Boudjaadar_Amina (1)

Rpublique Algrienne Dmocratique et Populaire Ministre de lEnseignement Suprieur et de la Recherche Scientifique

UNIVERSITE 20 AOUT 55 DE SKIKDAFACULTE DES SCIENCES DE LINGENIEURDEPARTEMENT dINFORMATIQUE

MmoirePour lObtention du Diplme de Magistre en Informatique de lEcole Doctorale de lEst (EDIE)

Option: Option Intelligence Artificielle

Plateforme Base Agents Pour lAide la Conception et la Simulation des Rseaux de Capteurs Sans FilPrsent Par: BOUDJAADAR AminaEncadreur: Pr. SAHNOUN Zaidi Devant le Jury: Pr. BOUFAIDA Mahmoud. PRESIDENT Dr. MAAMRI Ramdane, Rapporteur Dr. REDJIMI Mohammed, Examinateur Dr. MAZOUZI Smaine, Examinateur Rapporteur: Dr. MAAMRI Ramdane

Anne Universitaire: 2009/2010

DdicaceJe remercier Dieu de mavoir donn le courage pour accomplir ce modeste travail que je ddie : A mes trs chers parents qui sont la bougie qui illumine ma vie A mon mari Samir A ma fille loudjaine A mon frre Hamza A mes surs Oumeima, Nousseiba, Safa A toute ma grande famille, tous mes amis et tous mes enseignants Et tout ceux que jaime et qui maiment

BOUDJAADAR

AMINA

RemerciementsTout dabord, je prsente mes remerciements les plus sincres aux initiateurs de ce travail ; Le Professeur Sahnoun Zaidi et Le Professeur Maamri Ramdane.

Je tiens remercier Le Professeur Sahnoun Zaidi pour son encadrement etpour lencouragement et lintrt quil ma apport pour laccomplissement de ce travail et surtout pour son grande aide et ses qualits humaines. Je tiens remercier vivement Le Docteur Maamri Ramdane pour son implication totale et son aide importante pendant la rdaction de cette thse. Mes remerciements sadressent aussi au Professeur Boufaida Mahmoud qui a accept de prsider le jury de soutenance.

Je remercie galement messieurs Le docteur Maazouzi smail et Le docteurRedjimi Mohamed qui ont eu un impact majeur sur ma formation dingnieur et qui mhonorent aujourdhui par leurs prsences en qualit de membres du jury pour apprcier ce travail.

Table des matires I. Introduction gnrale 1 II. Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil . 3 II.1 Introduction..3 II.2 Les domaines dapplication des WSNs .3 II.2.1 Applications militaires 3 II.2.2 Applications environnementales . .5 II.2.3 Applications de sant ..6 II.2.4 Applications la maison .7 II.2.5 D'autres applications commerciales ..7 II.3 Taxonomie des rseaux sans fil .8 II.3.1 Selon la zone de couverture 8 II.3.1.1 Rseaux personnels sans fil (WPAN) .8 II.3.1.2 Rseaux locaux sans fil (WLAN)..13 II.3.1.3 Les rseaux mtropolitains sans fil (WMAN).14 II.3.1.4 Les rseaux sans fil tendus (WWAN).14 II.3.2 Selon linfrastructure.16 II.3.2.1 Rseaux cellulaire (avec infrastructure...16 II.3.2.2 Rseaux ad hoc (sans infrastructure)...18 II.4 Les rseaux de capteurs sans fil19 II.4.1 Dfinition de capteur..19 II.4.2 Architecture physique dun capteur......19 II.4.3 Dfinition dun rseau de capteur sans fil 22 II.4.4 Caractristiques requises des WSNs.22 II.4.5 Mcanismes utiliss pour atteindre les caractristiques requises des WSNs.23 II.4.6 Architecture dun rseau de capteurs24 II.4.6.1 Rseau toile (point--multipoint)24 II.4.6.2 Rseau maill..25 II.4.7 Architecture de communication..26 II.4.7.1. Couche physique27 II.4.7.2. Couche liaison de donnes28 II.4.7.3. Couche rseau30 II.4.7.4. Couche de transport..30 II.4.7.5. Couche application30 II.4.7.6. Gestion dnergie...31 II.4.7.7. Gestion de mobilit31 II.4.7.8. gestion des tches...31 II.5 Rseaux de capteurs vs rseaux ad hoc.32 II.6Conclusion 33 III. Les systmes multi-agents..34 III.1 Introduction....34 III.2 Les systmes complexes.34 III.2.1 Dfinition..34 III.2.2 Caractristiques dun systme complexe ouvert..34 III.3 Lorigine du paradigme multi-agent35 III.4 Les agents..36 III.4.1 Dfinitions...36 III.4.2 Les caractristiques multidimensionnelles dun agent..37 III.4.3 Taxonomie des agents38 III.4.3.1 Agents a capacits cognitives ou ractives38 III.4.3.2 Agents communicants ou situs.39

Table des matires III.4.3.3 Classification base sur la structure de lagent39 III.5 Les systmes multi-agents40 III.5.1 Dfinition 40 III.5.2 Taxonomie des systmes multi-agents 41 III.5.2.1 Systme multi-agents ouvert ou ferm..41 III.5.2.2 Systme multi-agents homogne/htrogne41 III.5.3 Les constituants dun systme muti-agents.41 III.5.3.1 Les agents (A)..41 III.5.3.2 Lenvironnement (E)...41 III.5.3.3 Les interactions (I)..42 III.5.3.4 Lorganisation (O)..43 III.5.4 Plateformes pour les systmes multi agents43 III.5.4.1 AgentTool43 III.5.4.2 AgentBuilder...43 III.5.4.3 Jack..43 III.5.4.4 DECAF44 III.5.4.5 Jade.44 III.5.4.6 JAFMAS et JiVE...44 III.5.4.7 Zeus.44 III.5.4.8 Madkit45 III.6 Conclusion45 V. La simulation des rseaux de capteurs.46 V.1 introduction...46 V.2 Diffrentes approches de test...46 V.2.1 Le test en environnement rel...46 V.2.2 La simulation..46 V.2.3 L'mulation47 V.3 Les simulateurs Actuellement disponibles.47 V.4 conclusion..50 VI. Les protocoles de communication utiliss dans les WSNs...51 VI.1 Introduction.51 VI.2 Les protocoles de la couche MAC.51 VI.2.1 Les raisons de la perte dnergie51 VI.2.2 Les modles de communication dans un WSN.52 VI.2.3 Les attributs dun bon protocole MAC.52 VI.3 Les protocoles de routage..58 VI.3.1 Les protocoles bass sur la structure du rseau...59 VI.3.1.1 Le routage plat.60 VI.3.1.2 Le routage hirarchique.65 VI.3.1.3 Le routage bas sur la localisation.70 VI.3.2 Les protocoles de routage en fonction de leurs modes opratoires74 VI.3.2.1 Protocoles de routage multichemins..74 VI.3.2.2 Le routage bas sur les requtes75 VI.3.2.3 Routage bas sur la ngociation.76 VI.3.2.4 Routage bas sur la qualit de service...77 VI.3.2.5 Processus cohrents et non cohrents78 VI.4 Les perspectives du routage dans les WSNs79 VI.5 Conclusion...80 VII. Conception et ralisation...81 VII.1 Introduction...81

Table des matires VII.2 Description gnrale de lapproche propose81 VII.3 Les services fournis par la plateforme de simulation81 VII.4 Description dtaille de lapproche propose...82 VII.5 Conception de la plateforme a base dagent...87 VII.5.1 Description dun agent88 VII.5.2 Description des agents de la plateforme.89 VII.5.2.1 Agent objet cible..89 VII.5.2.2 Agent capteur...92 VII.5.2.3. Agent station de base106 VII.6 Implmentation...107 VII.6.1 Environnement de dveloppement107 VII.6.2 Construction des agents de la plateforme de simulation.109 VII.6.2.1 Les classes implment..109 VII.6.2.2 Caractristiques et mthodes de chaque classe...110 VII.6.2.3 Les mthodes principales qui constituent un agent dans la plateforme MadKit..114 VII.6.2.4.Les agents construits..114 VII.6.3 Lexcution de la simulation et laffichage des statistiques117 VII.7 Quelques interfaces de la plateforme118 VII.8 Conclusion120 VIII. Conclusion gnrale121

Liste des figures Figure II.1 : Classification des rseaux sans fil8 Figure II.2 : Topologie point point de Bluetooth...9 Figure II.3 : Topologie Piconet de Bluetooth.10 Figure II.4 : Topologie Scatternet de Bluetooth.10 Figure II.5 : topologies toile et peer to peer des rseaux IEEE 802.15.413 Figure II.6 : Le modle des rseaux mobiles avec infrastructure17 Figure II.7 : Le principe de rutilisation de frquence.18 Figure II.8 : Architecture physique dun capteur.20 Figure II.10 : la topologie toile des rseaux..25 Figure II.11 : la topologie maille des rseaux...26 Figure II.12 : architecture de communication...27 Figure II.13 : Energie consomme par les sous-systmes dun capteur...31 Figure III-1 : illustration graphique simplifie des systmes qui relvent de laComplexit35 Figure III-2 : Fonctionnement dun agent..36 Figure III-3 : Les agents dans un SMA ......40 Figure VI.1 : Scnario de transmission de messages pour S-MAC..54 Figure VI.2 : le concept du protocole WiseMAC...56 Figure VI.3 : Arbre de rassemblement de donnes et schma de rveil..57 Figure VI.4 : Taxonomie des protocoles de routage..60 Figure VI.5 : la diffrence entre le routage AC et DC...61 Figure VI.6 : Exemple pour les zones fixe pour le routage VGAR .69 Figure VI.7 : Un exemple de dcoupage en zone dans un rseau de capteurs.72 Figure VI.8: Transmission gographique rcursive dans GEAR.74 Figure VII.1 : architecture dun rseau de capteur sans fil..83 Figure VII.2 : architecture dun nud capteur..84 Figure VII.3 : architecture dun nud puits ou station de base...85 Figure VII.4 : architecture dun nud cible...85 Figure VII.5 : Description dun agent.88 Figure VII.6 : architecture de lagent objet cible..90 Figure VII.7: architecture de lagent capteur93 Figure VII.8 : Etats de transition de lunit de capture94 Figure VII. 9 : Exemple d'une demande...95 Figure VII.10 : Exemple d'une rponse par une source..95 Figure VII.11 : Propagation des intrts...96 Figure VII.12 : Exemple montrant le backoff et le defering...101 Figure VII.13 : tat de transition de lunit de traitement (CPU)..103 Figure VII.14 : tat de transition de la radio104 Figure VII.15 : synthse des tches et des donnes de lagent capteur..106 Figure VII.16 : architecture de lagent station de base...107 Figure VII.17 : Modle Aalaadin...109 Figure VII.18 : shema gnral de lagent capteur115 Figure VI-19 : La fentre principale..118 Figure VI-20 : consommation dnergie dun nud aprs la simulation..119 Figure VI-21 : Evolution de la rserve de batterie des quatre nuds...119

Liste des figures

Liste des tableaux Tableau II.1 : Rseaux de capteurs vs rseaux ad hoc32 Tableau III.1 : Types dinteractions daprs...42 Tableau V.1 : plateformes de simulation des rseaux.49 Tableau V.2 : plateformes spcialises dans la simulation des rseaux de capteurs sans fil.50 Tableau VII.1 : les Paramtres de simulation de MAC 802.11.101

Introduction gnrale Ce mmoire est ddi la ralisation dune plateforme daide la conception et la simulation des rseaux de capteurs sans fil base dagents. Il est constitu de cinq chapitres. Le premier chapitre est une introduction aux rseaux de capteurs. Il met laccent sur les domaines dapplications de ces rseaux et tablit une typologie, notamment la sous catgorie des rseaux sans fils. Nous dcrivons, aussi, dans ce chapitre larchitecture dtaille dun capteur, les caractristiques requises dun rseau sans fils ainsi que les mcanismes en vigueur pour raliser ces caractristiques. Ce chapitre se termine par une taxonomie des rseaux de capteurs, les diffrentes architectures utilises et larchitecture de communication en usage. Le second chapitre aborde les systmes multi-agents. En premier lieu, nous prsentons les spcifications inhrentes un systme complexe, pour mieux justifier dans notre travail lapproche par le paradigme agent, en illustrant, au passage, les caractristiques multidimensionnelles de lentit fondamentale dun SMA et en procdant une taxonomie multicritres et dtaille des agents et des SMA, ainsi que les constituants dun SMA et les plateformes clbres destines les concevoir et les raliser. Le troisime chapitre traite les aspects relatifs la simulation des rseaux de capteurs. Il met en vidence les diffrentes approches pour tester le fonctionnement dun rseau. On montre, dans ce chapitre, limportance cruciale de passer par une phase de simulation lors de la conception des rseaux sans fils et on y expose les diffrents simulateurs, leurs fonctionnalits et les tches quils peuvent raliser. Le quatrime chapitre sintresse aux diffrents protocoles utiliss, en vue de faire communiquer les capteurs dans un rseau sans fils, quil sagisse de la couche MAC ou de la couche rseau. On y fait aussi une tude comparative entre protocoles. Le cinquime chapitre dcrit le travail de conception et de ralisation de la plateforme. Lvaluation des performances dun rseau de capteurs sans fils et sa capacit adopter le meilleur comportement pour rpondre de faon idoine aux diffrentes situations, se fait sur la base dune simulation, avant tout dploiement dans lunivers rel. Lapproche, par le paradigme muti-agents, sest rvl un choix incontournable pour modliser les rseaux complexes, en loccurrence, les rseaux sans fils et ceci grce leur caractre distribu et dynamique. Notre contribution consiste implmenter une plate forme daide la conception et la simulation des WSN base agents. Les objectifs assigns cette plateforme sont la modlisation des diffrents nuds du rseau, les architectures et les tests des diffrents protocoles de communication.

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Introduction gnrale Dans notre approche, le rseau de capteurs sans fils est constitu de trois types de nuds : Objet cible, capteur et station de base. Chacun de ces trois types possde ses propres caractristiques et son propre comportement. Ces nuds interagissent entre eux par le biais dmissions de messages. Lagent objet cible met des messages de type stimulus . A la rception de ces stimulus, les agents capteurs adopte une dmarche collaborative par un routage multi-sauts pour raliser un objectif commun, celui de la collecte des donnes pertinentes au niveau des agents stations de base, avec le souci de minimiser lnergie consomme pour allonger au maximum la dure de vie du rseau. Cette plateforme a t crite en langage Java en utilisant la plateforme MadKit pour modliser les agents. Lexcution de la simulation se fait par tapes : On initialise les paramtres des nuds en faisant renseigner par lutilisateur les champs relatifs au choix du modle de propagation du signal capt : acoustique/sismique, le modle de propagation sans fil, les positions des nuds, etc.. On fixe la dure de la simulation. On invoque la mthode activate qui oprationnalise les agents. A linvocation de cette mthode, linteraction entre agents est dclenche par lenvoi de messages. Au terme de la priode de simulation, des vecteurs sont gnrs par chaque nud. Ils contiennent les informations ncessaires lanalyse des performances du rseau, entre autres, le nombre de paquets transmis/reus par nud, lnergie consomme par chaque nud et le nombre de paquets capturs. A titre dexemple, si on constate une surcharge de certains nuds (un grand nud de paquets reus/transmis), entranant une grande consommation dnergie, on procde un changement darchitecture ou un redploiement des nuds pour pallier cette surcharge et maximiser de la sorte la dure de vie du rseau. Les vecteurs susmentionns sont consigns dans des fichiers et reprsents ensuite graphiquement sous forme dhistogrammes et de courbes pour mieux analyser les performances. Pour notre plateforme, on a choisi denregistrer deux paramtres pour permettre aux utilisateurs de mieux analyser les performances de leurs rseaux : - La densit ou nombre moyen de voisins : Ce paramtre permet dapprcier linfluence de la densit du rseau sur la consommation nergtique. - Le nombre de nuds du rseau : ce paramtre est cruciale pour tester lvolution des performances en fonction du nombre de nuds formant le rseau. Cest la proprit dite de scalabilit. Notons enfin, que pour notre plateforme, lvaluation dun protocole ou dune architecture est base sur lestimation de lnergie moyenne consomme par chaque nud et qui permet alors de prdire la dure de vie du rseau. 2

Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil

II.1 IntroductionLes avances rcentes en technologie des systmes micro-lectro-mcanique (MEMS), des communications sans fil, et de llectronique numrique ont permis le dveloppement de nuds capteurs peu coteux, multifonctionnels et de basse puissance. Ces capteurs sont petits par la taille et communiquent sur des courtes distances. Ces noeuds capteurs minuscules, sont constitus de composants de capture, de traitement de donnes et de communications. Ils ont influenc l'ide des rseaux de capteurs bass sur la collaboration d'un grand nombre de noeuds. Les rseaux de capteurs reprsentent une amlioration significative par rapport aux capteurs traditionnels. Ltendue des applications des rseaux de capteurs est vaste, on les retrouve dans le domaine de la sant, de la scurit et dans le secteur militaire. Les rseaux de capteurs permettent lutilisateur une meilleure comprhension de lenvironnement. De nos jours, les rseaux de capteurs sans fils font partie intgrante de notre vie. La ralisation des applications mettant en uvre les rseaux de capteurs sans fil ncessitent lutilisation des techniques ad-hoc. Dans ce chapitre, on va prsenter en premier lieu les domaines dapplication des rseaux de capteurs, ce quest un rseau sans fils et les diffrents types de rseaux. Nous aborderons ensuite larchitecture physique dun capteur ainsi que les couches utilises dans larchitecture de communication dun rseau de capteurs sans fil.

II.2 Les domaines dapplication des WSNsLes rseaux de capteurs peuvent inclure diffrents types de capteurs selon la nature des signaux, titre dexemples, taux sismique, thermique, visuel, infrarouge, acoustique et radar, qui peuvent surveiller une grande varit de conditions ambiantes incluant : la temprature, lhumidit, le mouvement vhiculaire, ltat de foudre, la pression, les niveaux de bruit, la prsence ou l'absence de certains genres d'objets, les caractristiques courantes dun objet, telles que la vitesse, la direction et la taille. Les noeuds capteurs peuvent tre employs pour la capture continue, la dtection d'vnements, l'identification d'vnements et la commande locale des dclencheurs. Le raccordement sans fils des nuds de micro-capteur permet un large ventail dapplications, essentiellement dans le domaine militaire et environnemental.

II.2.1 Les applications militairesDans les armes modernes, les rseaux de capteurs sans fil constituent une partie intgrante des dispositifs de commande, de contrle, de communication, de calcul, dintelligence, de surveillance et de ciblage.

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Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil Le dploiement rapide, l'auto-organisation et la tolrance aux fautes sont les caractristiques majeurs qui font des rseaux de capteurs sans fils une technique vitale pour les aspects militaires dsigns par lacronyme C4ISRT (Military Command, Control, Communications, Computing, Intelligence, Surveillance, Reconnaissance and Targeting systems). Puisque les rseaux de capteurs sont bass sur le dploiement dense et peu coteux de nuds de capteurs jetables, la destruction de quelques noeuds par des actions hostiles n'affectera en rien une opration militaire autant que la destruction d'un capteur traditionnel. De ce fait le concept de rseau de capteurs est la meilleure approche pour les champs de bataille. Certaines des applications militaires des rseaux de capteurs sont destines la surveillance des forces amicales, de leurs quipements et munitions ; dautres la surveillance du champ de bataille, la reconnaissance des forces et du terrain d'opposition ; enfin dautres sont destines lvaluation des dommages, la dtection et la reconnaissance des attaques par des armes de destruction massives. Surveillance des forces amicales, des quipements et des munitions : Les chefs surveillent constamment le statut des troupes amicales, l'tat et la disponibilit de l'quipement et des munitions dans un champ de bataille par l'utilisation des rseaux de capteurs. Les quipements et munitions critiques vhiculs par une troupe peuvent tre attachs des capteurs qui rapportent leurs statuts. Ces rapports sont collects dans des noeuds puits et envoys aux chefs des troupes. Les donnes peuvent galement tre envoyes aux niveaux suprieurs de la hirarchie de commande tout en tant agrg avec les donnes partir d'autres units chaque niveau. Surveillance du champ de bataille : les terrains, les itinraires d'approche, les chemins et les dtroits critiques peuvent tre rapidement couverts par un rseau de capteurs et tre troitement observs quand aux activits des forces hostiles. Pendant que les oprations voluent et que de nouveaux plans oprationnels sont prpars, de nouveaux rseaux de capteurs peuvent tre dploys tout moment pour la surveillance du champ de bataille. Reconnaissance des forces et du thtre d'oprations : les rseaux de capteurs peuvent tre dploys dans des terrains critiques, ce qui permettra la rcolte des renseignements prcieux et dtaills concernant les forces hostiles sur le terrain en si peu de temps. Optimisation : les rseaux de capteurs peuvent tre incorpors aux systmes de guidage des munitions intelligentes. 4

Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil valuation de dommages de la bataille : Juste avant ou aprs des attaques, des rseaux de capteurs peuvent tre dploys dans la zone cible pour collecter les donnes d'valuation des dommages de la bataille. Dtection et reconnaissance d'attaques nuclaires, biologiques et chimiques : Dans la guerre chimique et biologique, tre prs du point dimpact est important pour la dtection opportune et prcise des agents chimiques. Les rseaux de capteurs dploys dans la rgion amicale sont utiliss comme un systme d'alerte chimique ou biologique permettant de fournir aux forces amicales un temps de raction critique, leurs vitant des dommages. On peut avoir galement recours lemploi des rseaux de capteurs pour la reconnaissance dtaille aprs qu'une attaque NBC (Nuclaire, Biologique ou chimique) soit dtecte. Par exemple, on peut avoir une reconnaissance nuclaire sans exposer une quipe la radiation nuclaire.

II.2.2 Applications environnementalesLes applications environnementales des rseaux de capteurs incluent : lobservation des mouvements des oiseaux, des petits animaux et des insectes. la surveillance des conditions environnementales qui affectent les rcoltes, le btail et lirrigation. Les macro-instruments pour la surveillance grande chelle de la terre et l'exploration plantaire : comprenant la dtection chimique/biologique, le contrle biologique, la surveillance de l'environnement dans les contextes : marin, terrestre et atmosphrique. La dtection des feux de forts : en dployant un rseau avec la bonne densit, il devient possible de localiser lorigine exacte du foyer et prparer la riposte pendant que le feu est encore contrlable. la recherche mtorologique ou gophysique et ltude de la pollution [1,2,3, 4,5,6,7,8,9,10,11, 12, 13, 14, 11,12,13,14,15]. La dtection et la prvention des inondations [16] : Un exemple de dtection d'inondation est le systme ALERT [17] dploy aux Etats-Unis. Plusieurs types de capteurs dploys dans le systme ALERT mesurent les prcipitations, le niveau d'eau dans les nappes phratiques et fournit ces

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Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil informations au systme centralis de base de donnes permettant de raliser des prdictions quand lventualit dune inondation. LAgriculture de prcision : Lavantage quapporte les rseaux de capteurs est li la capacit de surveiller, en temps rel, le niveau des pesticides, le niveau de l'eau potable, le niveau de l'rosion des sols et le niveau de la pollution atmosphrique en temps rel.

II.2.3 Applications dans le domaine sant :Les applications dans le domaine de la sant sont nombreuses, elles concernent : Les interfaces pour les personnes handicapes, la surveillance intgre des patients, lautomatisation du mouvements.[3,11, 18,19, 14]. La tl-surveillance des donnes physiologiques humaines : Les donnes physiologiques rassembles par les rseaux de capteurs peuvent tre stockes pendant une longue priode [20], et peuvent tre employes pour l'exploration mdicale [21]. Les rseaux de capteurs installs peuvent galement surveiller et dtecter le comportement des vieilles personnes. Ces petits noeuds capteurs permettent au sujet une plus grande libert de circulation et permettent des mdecins d'identifier trs tt des symptmes prdfinis [22]. Le ''Health Smart Home a t conu la facult de mdecine de Grenoble en France pour valider la faisabilit d'un tel systme [18]. LObservation et la surveillance des mdecins et des patients l'intrieur d'un hpital : Chaque patient a de petits et lgers noeuds de capteurs qui lui sont attachs. Chaque noeud de capteur a sa tche spcifique. Par exemple, un noeud de capteur peut dtecter la frquence cardiaque tandis qu'un autre dtecte la tension artrielle. Les mdecins peuvent galement porter un noeud de capteur, qui permet d'autres mdecins de les localiser dans l'hpital. Administration de drogue dans les hpitaux : Si des noeuds capteurs peuvent tre attachs aux mdicaments, la chance d'obtenir et de prescrire le faux mdicament aux patients peut tre rduite au minimum. Puisque, les patients auront des noeuds capteurs qui identifient leurs allergies et les mdicaments exigs. Les systmes automatiss comme dcrit dans [23] ont prouv qu'ils peuvent aider rduire au minimum des vnements dfavorables lutilisation des drogues. diagnostic et la surveillance des

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II.2.4 Les applications mnagres :Automatisation la maison : Les avances technologiques ont permis dincruster des nuds capteurs intelligents et des dclencheurs dans des appareils lectromnagers, tels les aspirateurs, les fours micro-ondes et les rfrigrateurs [24]. Ces noeuds capteurs l'intrieur des dispositifs domestiques peuvent agir l'un sur l'autre et l'un avec l'autre et avec le rseau externe par Internet ou satellite. Ils permettent des utilisateurs de contrler les dispositifs la maison, localement et/ou distance, plus facilement.

II.2.5 Les applications commercialesCertaines des applications commerciales ralisent : La surveillance de la fatigue du matriel et le contrle de la qualit des produits. La commande et le guidage des robots dans les environnements de fabrication automatique ainsi que les jouets interactifs, le contrle des processus et lautomatisation des cycles d'usinage. La surveillance des secteurs o des dsastres ont pu se produire, le diagnostic des machines Le contrle de l'environnement dans des btiments de bureau : La climatisation et la chaleur de la plupart des btiments sont centralement commandes. Par consquent, la temprature l'intrieur d'une salle peut changer par peu de degrs ; une force latrale soit plus chaude que l'autre parce qu'il y a seulement une commande dans la chambre et la circulation d'air du systme central n'est pas galement distribue. Un rseau rparti de capteurs sans fil, peut tre install pour commander la circulation d'air et la temprature dans diffrentes parties de la salle. Dtection et surveillance des vols de voiture : Des noeuds de capteurs sont dploys pour dtecter et identifier des menaces dans une rgion gographique et pour rapporter ces menaces aux utilisateurs distance par l'Internet pour l'analyse [25]. Vrification de l'inventaire de gestion : A chaque article dans un entrept peut tre joint un noeud capteur. Les utilisateurs peuvent dcouvrir l'endroit exact de l'article et connatre le nombre d'articles dans la mme catgorie.

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II.3 Taxonomie des rseaux sans filUn rseau sans fil (wireless network) est un rseau o au moins deux nuds peuvent avoir une communication sans liaison filaire. Ces rseaux de communicationspermettent aux utilisateurs de profiter de tous les services traditionnels des rseaux indpendamment de leurs positions gographiques. Les rseaux sans fil peuvent avoir une classification selon deux critres. Le premier est la zone de couverture du rseau. Au vu de ce critre il existe quatre catgories : les rseaux personnels, les rseaux locaux, les rseau mtropolitains et les rseaux tendus. Le second critre est linfrastructure ainsi que le modle adopt. Par rapport ce critre on peut diviser les rseaux sans fils en : rseaux avec

infrastructures et rseaux sans infrastructure, comme on le voit dans lillustration de la figure II.1.

Rseaux sans fil

Zone de couverture

Infrastructure

WPAN

WLAN

WMAN

WWAN

Cellulaire

Ad Hoc

Figure II.1 : Classification des rseaux sans fil

II.3.1 Le critre de la zone de couvertureII.3.1.1 Rseaux personnels sans fil (WPAN) Les rseaux personnels sans fil ou Wireless Personal Area Network (WPAN), sont des rseaux sans fil trs faible porte, de l'ordre d'une dizaine de mtres. Ils sont le plus souvent utiliss faire communiquer entre eux des matriels prsents sur une personne (par exemple une oreillette et un tlphone portable). Ils sont galement utiliss pour relier des quipements informatiques entre eux sans liaison filaire : par exemple pour relier une imprimante ou un PDA (Personal Digital Assistant) un ordinateur de bureau ou faire communiquer deux machines trs peu distantes. Il existe plusieurs technologies permettant la mise en oeuvre de tels rseaux qui sont :

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Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil Bluetooth La principale technologie est IEEE 802.15.1 [26] ou Bluetooth. Elle fut propose par Ericsson en 1994 et fournit un taux de transmission radio thorique de 1 Mbit/s, pour une porte de 10 mtres (jusqu 100 m avec amplificateur). Cette technologie utilise une communication radio, elle propose une pile protocolaire

complte, de la couche physique la couche application de la pile OSI. Bluetooth utilise la bande de frquences ISM (industrial, scientific and medical) des 2,4 GHz (2,402 GHz 2,480 GHz) en divisant cette bande en 79 canaux de largeur 1 MHz et met en oeuvre une modulation de type GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) en FHSS. Le dbit en bande de base est de 1 Mbits/s et la frquence nominale des sauts FHSS est de 1600 Hz, soit une priode de 625 s. Du fait de lutilisation des sauts de frquence, Bluetooth impose un fonctionnement en matre/esclave pour le partage du mdium radio. Les topologies existantes dun rseau Bluetooth sont : le point point qui relie un matre un esclave, comme illustr dans la figure II.2, Piconet qui relie un matre deux (jusqua sept) esclaves actifs, comme illustr dans la figure II.3 ou Scatternet qui relie jusqu 10 piconets comme illustr dans la figure II.4. Quelque soit la topologie choisie, toutes les communications de station esclave station esclave passent par la station matre. Cette norme possde lavantage dtre trs peu gourmande en nergie, ce qui la rend particulirement intressante pour tre intgre dans des petits quipements autonomes comme les PDA.

M

E

Figure II.2 : Topologie point point de Bluetooth [60] 9


E E M E

E E

E

Figure II.3 : Topologie Piconet de Bluetooth [60]

Figure II.4 : Topologie Scatternet de Bluetooth [60].

HomeRF Comme son nom lindique, HomeRF [27] est une norme de rseau destine un usage domestique pour partager un accs

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Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil Internet ou transporter des communications tlphoniques DECT3. Il a t lanc par le consortium industriel form entre autres par HP, IBM, Siemens, Proxim, Compaq, Intel et Microsoft. HomeRF proposait une couche physique travaillant dans la bande des 2,4 GHz, en FHSS (` 50 sauts par secondes), sur une modulation de type 2FSK ou 4-FSK. Le dbit bande de base est de 1 Mbits/s ou 2 Mbits/s, suivant la modulation utilise, avec une porte typique de lordre dune cinquantaine de mtres. HomeRF na pas connue de succs et a t abandonne. IEEE 802.15.4, ZigBee Le TG15.4 de lIEEE propose une norme pour les rseaux sans fil personnels faible consommation nergtique (Low PowerWireless Personal Area Network, LP-WPAN). Le standard IEEE 802.15.4 [28] propose une norme pour les couches physique et liaison de donnes, oriente trs faible consommation nergtique, qui rend cette technologie bien adapte de petits appareils lectroniques (appareils lectromnagers, hifi, jouets ,.. .), et plus particulirement aux rseaux de capteurs. La pile propose par lIEEE et la ZigBee Alliance suit les recommandations de lISO en terme de sparation des rles attribus aux diffrentes couches. Cette pile reprend les couches 1 et 2 normalises dans la norme 802.15.4 et ajoute ses propres couches suprieures. La couche une, la couche physique, dcrit les caractristiques de linterface radio, savoir les frquences, la largeur de bande, le type de modulation, le dbit binaire, etc. La deuxime couche, la couche liaison, dcrit les caractristiques de la sous-couche MAC, c'est--dire, la gestion des accs au mdium et la sous-couche SSCS relative la formation des trames et la convergence des donnes. Au niveau de la couche physique, la norme 802.15.4 offre deux options. Les deux couches physiques sont bases sur les techniques dtalement de spectre par squence directe (DSSS). La premire couche physique opre dans la bande 2,4GHz et offre un dbit de 250 kbit/s avec une modulation du type OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying). La seconde opre dans les bandes 11

Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil 868/915 MHz et offre un dbit de 20 kbit/s pour la bande 868 MHz et 40 kbit/s pour la bande 915 MHz, la modulation utilise ici est la BPSK (Binary Phase Shift Key). Selon les besoins de lapplication, la norme IEEE 802.15.4 prvoit deux topologies : toile ou point point (peer to peer ), qui sont illustres dans la figureII.5. Dans la topologie toile , les entits RFD sont connectes un noeud FFD central appel coordinateur; tous les messages sont relays par le coordinateur, comme dans un Piconet Bluetooth avec le matre. Les communications directes entre des entits RFD sont impossibles. Notons que le rle central du coordinateur implique de plus fortes dpenses nergtiques ; un coordinateur devra donc gnralement prvoir une source dalimentation sans contrainte [29]. Dans la

topologie point point (peer-to-peer ), un FFD peut communiquer directement avec tout autre FFD, si ils sont porte radio lun de lautre. Dans cette topologie, on retrouve un coordinateur unique comme dans la topologie toile. Son rle est de tenir jour une liste des participants au rseau et de distribuer les adresses courtes.

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coordinateur Entit complte (FFD)

Entit rduite (RFD)

coordinateur Entit complte (FFD)

Figure II.5 : topologies toile et peer to peer des rseaux IEEE 802.15.4 [60]

Liaisons infrarouges La technologie infrarouge ou IrDA est galement utilise dans ce type de rseaux. Cette technologie est cependant beaucoup plus sensible que Bluetooth aux perturbations lumineuses et ncessite une vision directe entre les lments souhaitant communiquer, ce qui la limite bien souvent un usage de type tlcommande. II.3.1.2 Rseaux locaux sans fil (WLAN) Depuis le dveloppement des normes qui offrent un haut dbit, les rseaux locaux sans fil ou Wireless Local Area Network (WLAN) sont gnralement utiliss l'intrieur d'une entreprise, d'une universit, mais galement chez les particuliers. Ces rseaux sont principalement bass sur les technologies suivantes :

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Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil IEEE 802.11, WiFi (Wireless Fidelity) IEEE 802.11 [30] est un standard de rseau sans fil local propos par lorganisme de standardisation Amricain IEEE. La technologie 802.11 est gnralement considre comme la version sans fil de 802.3 (Ethernet). La technologie 802.11 a connu beaucoup

dvolutions, notamment la 802.11.a et la 802.11b qui proposent une amlioration de la norme initiale en introduisant la modulation CCK (Complementary Code Keying) dans la bande des 2,4 GHz. Deux nouveaux dbits sont alors disponibles, 5,5 Mbits/s et 11 Mbits/s sur une porte de quelques dizaines de mtres environ. Le 802.11b est lamendement de 802.11 qui a donn sa popularit au WiFi. Bien que 802.11b soit encore largement utilis, il est maintenant supplant par 802.11g. Ce dernier constitue une amlioration directe de 802.11b avec un dbit bande de base de 54 Mbits/s sur la bande des 2,4 GHz. Hiperlan 1 & 2 labor par lETSI (European Telecommunications Standards Institut), Hiperlan est exclusivement une norme europenne. La technologie de Hiperlan exploite la bande de frquence de 5Ghz et les dbits changent selon la version, ainsi : Hiperlan1 apporte un dbit de 20 Mbit/s et Hiperlan2 offre un dbit de 54 Mbit/s sur une porte d'action semblable dans celui de la Wi-Fi (100 mtres). II.3.1.3 Les rseaux mtropolitains sans fil (WMAN) Les rseaux mtropolitains sans fil ou Wireless Metropolitan Area Network (WMAN) sont aussi connus sous lappellation de boucle locale radio (BLR). Les rseaux bass sur la technologie IEEE 802.16 ont une porte de l'ordre de quelques dizaines de kilomtres (50km de porte thorique annonce) et un taux de transmission radio thorique pouvant atteindre 74 Mbit/s pour IEEE 802.16-2004 [31], plus connu sous le nom commercial de WiMAX. II.3.1.4 Les rseaux sans fil tendus (WWAN) Les rseaux sans fil (WWAN pour Wireless Wide Area Network) Cette catgorie possde assez peu de technologies lheure actuelle. Les seules technologies de WWAN disponibles sont des technologies utilisant les satellites gostationnaires ou en orbite basse 14

Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil pour relayer linformation entre plusieurs points du globe. Les principales technologies sont les suivantes : GSM GSM est l'abrviation de (Global System for Mobile Communication), cest une norme tablie en commun par les ayant pour objectif le

oprateurs europens depuis 1982, dveloppement dun systme

de tlphonie mobile permettant des

communications outre-mer. La communication a lieu par un paquet donde ayant deux frquences : 900 MHz et 1800 MHz. Le GSM se distingue par plusieurs spcificits, la premire est l'aspect numrique du rseau, qui offre une qualit suprieure grce sa rsistance aux interfrences. La deuxime spcificit du rseau de GSM rside dans sa configuration cellulaire. Le territoire est subdivis en petites cellules attaches les unes aux autres. Chaque cellule se voit assigner un certain nombre de canaux permettant les communications. GPRS Le GPRS (General Packet Radio Services) est une technologie de radiocommunication par commutation de paquets pour les rseaux de GSM. Les connexions des services de GPRS sont toujours ouvertes afin d'offrir aux utilisateurs des terminaux mobiles une disponibilit de rseau identique celle qu'ils pourraient atteindre par des rseaux d'entreprise. Le GPRS offre une connectivit d'IP de bout en bout, du terminal GPRS jusqu' n'importe quel rseau IP.

Les terminaux peuvent tre intgrs efficacement aux rseaux Internet. La vitesse "utile" sera d'environ 40 Kb/s (vitesse maximum : 171 Kb/s), l'un ou l'autre est quatre fois suprieure celle du GSM. UMTS UMTS L'abrviation de Universal Mobile

Telecommunications System , l'UMTS dsigne une nouvelle norme de tlphonie mobile. Le principe de l'UMTS consiste exploiter une 15

Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil bande de frquences plus grande pour faire transmettre plus des donnes et donc obtenir un dbit plus important. En thorie, il peut atteindre 2 Mb/s. La norme d'UMTS exploite de nouvelles bandes de frquences situes entre 1900 et 2200 MHz. Cette technologie permet de faire passer des donnes simultanment et offre alors des dbits nettement suprieurs ceux atteints par le GSM et le GPRS.

II.3.2 Selon linfrastructureLes environnements mobiles sont des systmes composs de sites mobiles et qui permettent leurs utilisateurs d'accder l'information indpendamment de leurs positions gographiques. Les rseaux mobiles ou sans fil, peuvent tre classs en deux classes : les rseaux avec infrastructure et les rseaux sans infrastructure.

II.3.2.1 Rseaux cellulaires (avec infrastructure)Ce type de rseaux se compose des lments suivants [61] : 1- Les "sites fixes" du rseau filaire.. 2- Les "sites mobiles", rseaux sans fils. Certains sites fixes, appels stations de base (SB) sont munis d'une interface de communication sans fil pour la communication directe avec les sites mobiles localiss dans une zone gographique limite, appele cellule comme le montre la figure suivante:

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UM UM Station de base UM UM

Cellule de communication sans fil

SiteFixe SiteFixe

Station de base UM UM

UM Station de base UM

UM

Rseau statiqueUM

SiteFixe

SiteFixe

Figure II.6 : Le modle des rseaux mobiles avec infrastructure [61].

A chaque station de base correspond une cellule partir de laquelle des units mobiles peuvent mettre et recevoir des messages. Alors que les sites fixes sont interconnects entre eux travers un rseau de communication filaire. Une unit mobile ne peut tre, un instant donn, directement connecte qu' une seule station de base. Elle peut communiquer avec les autres sites travers la station laquelle elle est directement rattache. Principe de fonctionnement La configuration standard d'un systme de communication cellulaire est un maillage de cellules hexagonales. Initialement, une rgion peut tre couverte uniquement par une seule cellule, quand la comptition devient importante pour l'allocation des canaux, la cellule est gnralement divise en sept cellules plus petites comme cest illustr dans la figure II.7. Les cellules adjacentes dans le maillage doivent utiliser des frquences diffrentes, contrairement celles qui sont situes sur les cts opposs du maillage et qui peuvent utiliser la mme frquence sans risque d'interfrence. 17


F3

F4 d F5 F6

F2

F1

F1

F7

Figure II.7 : Le principe de rutilisation de frquence [61].

II.3.2.2 Rseaux ad hoc (sans infrastructure)Dans le modle de rseau ad hoc ou MANET (Mobile Ad hoc NETwork), l'entit "site fixe" nexiste pas, tous les sites du rseau sont mobiles et communiquent d'une manire directe en utilisant leurs interfaces de communication sans fil. L'absence de l'infrastructure ou du rseau filaire compos des stations de base, oblige les units mobiles se comporter comme des routeurs qui participent la dcouverte et la maintenance des chemins pour les autres htes du rseau. Alors un MANET consiste en une population, relativement dense, d'units mobiles qui se dplacent dans un territoire quelconque et dont le seul moyen de communication est l'utilisation des interfaces sans fil, sans l'aide d'une infrastructure prexistante ou administration centralise.

Caractristiques des rseaux ad hoc On peut distinguer six grandes caractristiques [32,33]: La topologie est dynamique : Cest une consquence directe de la mobilit des units qui composent le rseau. Le trac des routes peut changer pendant lmission dun paquet. Les liens sont asymtriques : En effet, la liaison entre deux units nest pas forcment bidirectionnelle. 18

Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil La bande passante est limite : car les communications par voies hertziennes imposent un partage du mdium de communication entre les diffrents htes. On appelle ce phnomne rutilisation spatiale. Ce phnomne est d lattnuation des signaux avec la distance qui fait que mme si un mdium peut tre utilis simultanment par plusieurs htes, il peut y avoir des collisions et donc la ncessit de procder des rmissions. Fortes contraintes nergtiques : Cela est d au fait que chacune des units doit bien souvent embarquer une alimentation autonome. Absence dinfrastructure et de contrle centralis : En effet, les htes sont mobiles et cest a eux quil incombe de maintenir les connexions. Les interfrences : Il y a de nombreuses interfrences entre les htes du rseau ou encore dune onde avec elle-mme (cas dune rflexion donde). Elles accroissent le nombre derreurs sur la transmission et imposent un amoindrissement des performances.

II.4 Les rseaux de capteurs sans filLes rseaux de capteurs sans fil ou WSN (Wireless Sensor Networks) constituent une catgorie particulire de rseaux ad hoc. Ces derniers sont conus pour rpondre des problmatiques de communications o lhomme est souvent un acteur principal (accs un rseau global comme Internet, tlphonie, tlcommande. . .). les WSN offrent des moyens de communication trs souvent spontans entre objets autonomes, gnralement sans aucune intervention humaine. Il existe des diffrences considrables entre les rseaux de capteurs et les rseaux ad hoc, donc dans la plus part des cas on ne pourra pas utiliser les mmes protocoles. Un WSN est quasiment ddi une unique application.

II.4.1 Dfinition dun capteurCest un dispositif ragissant un stimulus comme la chaleur, lhumidit ou la lumire, et gnrant un signal qui peut tre mesur ou interprt.

II.4.2 Architecture physique dun capteurL'implmentation et le dveloppement du nud capteur sans fil doivent avoir une conception, aprs une trs bonne analyse de lapplication. Ceci est obligatoire pour spcifier et dfinir le profil des lments (hardware) aussi bien que les caractristiques et les mthodes (logiciel et modle de programmation). Ceci offre une meilleure flexibilit et efficacit pendant le fonctionnement. En outre, il doit prendre en compte le fait que les noeuds dans un WSN doivent tre petits, nergtiquement efficaces, quip de capteur(s)

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Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil ayant de bonnes performances de calculs et de stockages communication appropris. Pendant le choix des lments matriels pour un nud capteur sans fil, l'application finale du rseau dfinit la taille, le cot, et les besoins en nergie. Les lments de base constituant un noeud capteur sont illustrs dans la figure II.8 , selon [34, 35, 36, 37, 38]: Unit de stockage et des quipements de

Unit de communication

Unit de traitement

Unit de capture

Unit dnergie Figure II.8 : Architecture physique dun capteur

Unit de traitement (processeur incorpor) : Elle est responsable du traitement de toutes les donnes pertinentes et d'excuter le code qui dcrit le comportement du noeud capteur. Parmi les tches communes assignes, il y a lacquisition, le

prtraitement et le traitement des informations entrantes et sortantes. Une autre tche est l'implmentation du routage d'information selon diffrentes conditions de performance et de fiabilit. Des microcontrleurs (se composant d'une unit de traitement, dune mmoire, et de modules priphriques comme ADC, UART, temporisateurs, interfaces connectes via des bus) sont habituellement exploits pour excuter ce rle. Unit de stockage (mmoire) : Elle est responsable du stockage des programmes et des donnes. Gnralement, une

mmoire RAM est employe pour stocker les chantillons et/ou les paquets intermdiaires dun capteur provenant d'autres noeuds. Des mmoires comme EEPROM ou flash sont employes pour stocker le code de programme. La consommation d'nergie par la mmoire 20

Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil est un facteur important pour la conception approprie du nud capteur sans fil. Unit de capture (capteurs) : Cest l'interface au monde physique. Il y a une grande varit de capteurs en service, mais le choix doit tre fait en considrant la taille et la consommation d'nergie exige pour son fonctionnement. Une catgorisation commune des capteurs est illustre comme ce suit : Capteurs passifs, omni directionnels: peut mesurer une quantit physique sans affecter rellement l'environnement. Les exemples de ce genre de capteurs sont les thermomtres, les acclromtres, les microphones, les capteurs dhumidit et de pression. Capteurs passifs, narrow-beam : La mesure ralise par ce type de capteurs dpend de la direction. Les exemples de ces capteurs sont les capteurs ultrasoniques ou les camras. Ces capteurs exigent une orientation dfinie afin de mesurer une grandeur du milieu. capteurs actifs : prennent sans interruption des chantillons de l'environnement ; les exemples sont les sonars, les radars et les capteurs sismiques. unit de communication (mission/rception) : Cest la partie du matriel qui accomplit les fonctions de gestion du rseau de nuds de capteurs. Quelques moyens habituels pour la communication sont les frquences radio, la communication optique, les ultrasons et les ondes lectromagntiques (seulement pour des applications trs spcifiques). Les frquences radio (RF) sont gnralement employes parce qu'elles fournissent un large intervalle de transmission et de rception des dbits levs et avec un taux d'erreur acceptable pour l'nergie ncessaire. unit d'nergie : Il existe une varit d'options pour lalimentation en nergie pour un noeud de capteur. L'option la plus commune est l'utilisation des batteries ; d'autres options sont lnergie de balayage de l'environnement o le noeud de capteur est expos. L'exemple le plus populaire est: les piles solaires. 21

Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil Certaines applications ont besoin de connaitre lemplacement du capteur. Pour cette raison, le capteur doit avoir un systme de localisation tels quun GPS (Global Positioning System). Pour les rseaux de capteurs mobiles, des noeuds doivent se dplacer, donc un lment ddi cette mobilit doit exister parmi les composants du capteur [39].

II.4.3 Dfinition dun rseau de capteurs sans filUn rseau de capteurs sans fil ou WSN (Wireless Sensor Network) est un rseau compos d'un grand nombre de noeuds capteurs, avec une communication sans fil entre ces nuds. Ces noeuds capteurs sont disperss dans lenvironnement ( surveiller) situ loin de l'utilisateur. Les entits principales qui constituent un rseau de capteurs sont : Les noeuds capteurs qui forment le rseau. La station de base qui communique avec l'utilisateur par l'intermdiaire d'Internet ou par une communication par satellite. Le phnomne faisant lobjet des mesures prsentant de lintrt pour lutilisateur.

II.4.4 Caractristiques requises des WSNsUn ensemble de caractristiques sont importantes pour laccomplissement des tches assignes aux applications. Les plus importants sont : Le Type de service : on s'attend ce que le WSN offre l'utilisateur, des informations significatives sur l'objet d'intrt. La Qualit de service (QoS) : Cest une mtrique de la qualit de service qui va tre offerte par un WSN ses utilisateurs/applications. Le niveau de QoS est dfini par un ensemble d'attributs comme le temps dattente, la largeur de bande, et la perte de paquets quon relie directement avec le type de service du rseau. Dans QoS pour les WSNs, la quantit et la qualit d'information extraites partir des puits deviennent appropries. Tolrance aux fautes : il est important que le WSN soit capable de traiter l'chec des noeuds capteurs. Une manire reconnue de satisfaire cette contrainte est de raliser un dploiement redondant des noeuds capteurs. La dure de vie : Cest la dure pendant laquelle le rseau reste oprationnel. On s'attend ce que le WSN puisse fonctionner au moins pendant le temps requis pour accomplir la tche donne. Nanmoins, la dfinition de la dure

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Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil de vie dpend de l'application du WSN et elle est en relation directe avec le fonctionnement efficace du rseau. Scalabilit : Cette caractristique traduit la capacit de maintenir la performance indpendamment de la taille du rseau. Comme un grand nombre de noeuds de capteur peuvent tre employs dans les applications de WSN, les architectures et les protocoles doivent fournir le support appropri pour maintenir efficacement les services fournis par le rseau. Maintenance : les changements dans l'environnement du rseau, par exemple, lapparition de noeuds de capteurs avec des batteries puises, exigent une solution permettant ladaptation et le maintien des services du WSN. Programmation flexible : Cest la capacit des noeuds de capteur modifier les options de traitement des donnes acquises et effectuer des changements et des ajustements de leurs tches.

II.4.5 Mcanismes utiliss pour atteindre les caractristiques requises des WSNs :Afin de raliser les caractristiques prcdentes, des nouveaux mcanismes de communications, darchitectures et de protocoles doivent tre dvelopps. Les mcanismes typiques considrs dans les WSNs sont : Communication multi-sauts : Pour les communications longue distance, lutilisation des noeuds

intermdiaires pour transmettre les paquets, peut induire une rduction de lnergie exige. Utilisation efficace dnergie : Cest l un mcanisme cl pour offrir et soutenir sur une dure longue loprationnalit du rseau. Auto-configuration : ce mcanisme est employ dans diffrents aspects des WSNs. Le noeud capteur devrait tre capable dadapter ses paramtres de service pour tenir compte des dfaillances des autres noeuds, des obstacles et de lajout de noeuds au rseau. Collaboration et traitement dans le rseau : Selon lapplication, il est parfois exig quun groupe de noeuds de capteurs interagissent afin de dtecter un vnement ou faire un traitement plus complet dinformations. La considration des approches des offres de traitement dans le

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Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil rseau comme lagrgation de donnes, qui rduisent la quantit de donnes transmises et par consquent amliore lefficacit nergtique du rseau. Data-centric : dans des applications communes, les noeuds de capteurs sont dploys dune manire redondante, pour protger le rseau contre des dfaillances de noeuds. Dans une approche data-centric , lidentit dun noeud particulier fournissant des donnes devient non pertinente. Le plus

important, ce sont les rponses gnrales que le WSN offre lutilisateur.

II.4.6 Architecture dun rseau de capteurs [59]Les principales topologies de rseau qui s'appliquent aux rseaux de capteurs sans fil sont dcrites dans cette section. II.4.6.1 Rseau toile (Point--Multipoint ) Un rseau en toile, comme illustr dans la figure II.10 est une topologie de communications o une station de base peut envoyer et/ou recevoir un message un certain nombre de noeuds distants. Les noeuds distants peuvent seulement envoyer ou recevoir un message de la station de base, ils ne sont pas autoriss envoyer des messages entre eux. L'avantage de ce type de rseau pour les rseaux de capteurs sans fil est sa simplicit ainsi que la capacit des nuds capteurs de maintenir une consommation minimale dnergie. Cette topologie assure galement une basse latence de communication entre le noeud capteur et la station de base. L'inconvnient d'un tel rseau est que la station de base doit tre dans la porte de transmission par radio de tous les diffrents nuds. Ce qui, malheureusement, diminue la robustesse en raison de la

dpendance du rseau un noeud simple pour contrler lensemble.

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Figure II.10 : la topologie toile des rseaux [59]

II.4.6.2 Le rseau maill : Un rseau maill comme il est montr dans la figure II.11 est un rseau ou n'importe quel noeud peut transmettre n'importe quel autre condition quil se situe dans sa porte de transmission par radio. Ceci nous conduit aux communications multi sauts, c'est--dire, que si un noeud veut envoyer un message un autre hors de sa porte de communication par radio, il peut utiliser des noeuds intermdiaires pour expdier ce message au noeud dsir. Cette topologie de rseau a l'avantage de la redondance et de la scalabilit. Si un noeud est dtruit, un noeud peut encore communiquer n'importe quel autre noeud dans sa porte, ce dernier qui peut expdier le message l'endroit dsir. L'inconvnient de ce type de rseau rside dans sa grande consommation d'nergie essentiellement par les noeuds qui implmentent la communication multi sauts par apport aux nuds qui nont pas cette possibilit et qui limite souvent la dure de vie des batteries. Un autre inconvnient est laugmentation du temps de rponse.

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Figure II.11 : la topologie maille des rseaux [59]

II.4.7 Architecture de communicationComme tout les types de rseaux, les WSNs utilisent une architecture de communication en couches, ce sont les cinq premires couches du modle OSI ; la couche physique, la couche liaison de donnes, la couche rseau, la couche transport et la couche application. Chaque couche a son propre rle et ses propres protocoles pour atteindre son objectif. Nonobstant le fait que lobjectif dun WSN nest pas la communication ellemme, quil est soumis de fortes contraintes nergtiques, par voie de consquence, dautres units doivent lui tre ajouter afin de grer la consommation dnergie, la mobilit des nuds et lordonnancement des tches comme cest illustr par la figure II.12.

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Gestion des tches Gestion de mobilit

Gestion dnergie

Couche application Couche transport Couche rseauCouche liaison de donnes

Couche physique

Figure II.12 : architecture de communication [39] II.4.7.1. Couche physique : La couche physique est responsable du choix de la frquence, de la gnration de la frquence porteuse, de la dtection du signal, de la modulation et du chiffrage des donnes. Dans un rseau de capteurs multi-sauts, les noeuds communicants sont lis par un mdium sans fil. Ces liens peuvent tre constitus par les ondes radio ou des signaux infrarouges. Les signaux infrarouges : La communication infrarouge est robuste et trs peu sensible au problme dinterfrence quon rencontre dans les dispositifs

lectriques. Les metteurs rcepteurs bass sur lutilisation de linfrarouge sont peu coteux et plus faciles construire. Plusieurs ordinateurs portables, PDAs et tlphones mobiles offrent une interface infrarouge d'change de donnes. L'inconvnient principal cependant, est la condition d'une ligne de vue entre l'metteur et le rcepteur. Les radiofrquences : Le principe est dmettre des ondes lectromagntiques qui constituent la porteuse du signal transmettre. Le spectre radio est dcoup en bandes de frquences divises en canaux. Aujourdhui, on peut utiliser les bandes ISM (Industrial, Scientific and Medical) pour les rseaux sans fil. Ces bandes sont gratuites mais avec des contraintes

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Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil sur le taux dutilisation (rapport entre le temps dmission et le temps total) et en puissance dmission. Afin de limiter la puissance dmission tout en ayant un dbit efficace, des techniques dtalement de spectre sont obligatoires dans certaines bandes. II.4.7.2. Couche liaison de donnes Beaucoup de recherches dans le domaine des rseaux de capteurs entrent dans le cadre de loptimisation de la couche de liaison. Elle manipule toutes les issues de communication entre les noeuds voisins. Dans les rseaux sans fil, l'accs au mdium commun (la frquence) doit tre contrl. Ceci est appel le contrle d'accs au Medium (MAC : Medium Access Control). La tche principale de cette couche est dinterdire laccs simultan au canal dans la mme marge de frquence radio. Si un rcepteur reoit deux signaux simultanment, cest malheureusement une collision qui dtruit toute l'information reue par le rcepteur. La plupart des protocoles MAC de la couche liaison tentent dliminer entirement les collisions ou de rduire au minimum la capacit de canal qu'ils exigent. Il n'est cependant pas vident que cette stratgie soit la meilleure parce que la procdure responsable de llimination des collisions exige galement un certain genre de ngociation qui consomme une partie de la capacit du canal. La diffrence principale entre les rseaux sans fil traditionnels et les rseaux de capteurs est le souci concernant la consommation d'nergie d'un noeud. la diffrence de la couche physique, la couche de liaison empaquette souvent des bytes de donnes. Ces paquets contiennent une information sur le nombre de donnes qui permet au rcepteur de dtecter des erreurs de transmission. Dans ce qui suit on prsente les stratgies d'accs au mdium pour les rseaux de capteurs, et quelques modes de contrle derreur. Sous couche MAC (Medium Access Control) On peut diviser les mthodes daccs au mdium de la couche MAC en deux catgories. Accs centralis : il existe trois mthodes centralises. Frequency Division Multiple Access (FDMA) Les diffrents noeuds ont diffrentes frquences porteuses. Puisque les ressources en frquences sont divises, ceci aura comme effet de diminuer la largeur de bande disponible pour chaque noeud. FDMA exige

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Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil galement du matriel additionnel et la surveillance au niveau de chaque noeud. Code Division Multiple Access (CDMA) Un code unique est employ par chaque noeud pour coder ses messages. Ceci augmente la complexit de l'metteur et du rcepteur. Time Division Multiple Access (TDMA) Le lien RF est divis sur un axe de temps, A chaque nud, est attribu un intervalle du temps

prdtermin qu'il peut employer pour la communication. Un avantage important est que TDMA peut tre mis en uvre au niveau du logiciel. Toutefois, TDMA exige pour tout les noeuds des horloges prcises et synchronises. Accs distribu : il existe deux mthodes dans cette classe. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acces with Collision Detection). Cest une mthode daccs partag par coute de la porteuse et dtection des collisions. Son principe est simple: attendre que le support soit libre pour transmettre et dtecter les collisions. ALOHA Est une technique daccs trs simple, son principe est le suivant: les stations mettent de faon inconditionnelle des paquets ds quils sont en leur possession. Il ny a pas dcoute du support avant la transmission. Dans le cas dune collision, la station va retransmettre les paquets aprs un dlai alatoire.

Le contrle derreurs : Une autre fonction importante de la couche liaison de donnes est le contrle d'erreurs des donnes transmises. Il y a deux importants modes de contrle d'erreur dans les rseaux de transmission, qui sont : FEC (Forward Error Correction) et ARQ (Automatic Repeat reQuest). L'utilit d'ARQ dans des applications de rseau de capteurs est limite 29

Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil par le cot additionnel de re-transmission. D'autre part, la complexit du dcodage est plus grande dans FEC, car les possibilits de corrections d'erreurs doivent tre intgres. Des codes de contrle d'erreurs simples avec moins de complexit de codage/dcodage pourraient prsenter de meilleures solutions pour des rseaux de capteurs.

II.4.7.3. Couche rseau Les noeuds capteurs sont dissmins, avec une grande densit dans un

domaine se situant au voisinage ou l'intrieur de la rgion spatiale o se produit le phnomne observer. Des protocoles spciaux multi-sauts de routage entre les noeuds capteurs et le noeud puit sont ncessaires. Les techniques de routage ad-hoc ne se conforment pas habituellement aux contraintes des rseaux de capteurs. La couche rseau en ce qui concerne les rseaux de capteurs est habituellement conue selon les principes suivants : L'efficacit dnergie est toujours une considration importante. Les rseaux de capteurs sont la plupart du temps data-centric. L'agrgation de donnes (le clustering) est une fonctionnalit majeure. II.4.7.4. La couche transport La couche transport fournit un service de communication de bout en bout, fiable pour l'application. Elle manipule la segmentation des grands paquets. Elle effectue le contrle des flots de donnes de bout en bout afin dviter la surcharge du rcepteur ou du rseau. Dans les rseaux sans fil, le contrle du flot ne fonctionne pas comme dans les rseaux cbls parce que les paquets retards ne doivent en aucun cas congestionner le rseau. Aujourd'hui, la plupart des applications qui ont t suggres pour des rseaux de capteurs essayent de maintenir des paquets trs petits et de les envoyer peu abondamment. C'est pourquoi la couche transport n'a pas la mme importance dans les rseaux de capteurs comparativement l'Internet. II.4.7.5. La couche application Selon les tches de capture, il existe diffrents types de logiciels qui peuvent tre installs et employs pour la couche application.

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Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil II.4.7.6. Gestion dnergie La couche de gestion dnergie contrle la manire dutiliser lnergie par le nud capteur, et gre la consommation dnergie selon le mode de fonctionnement employ (capture, calcul, et communication par radio). Par exemple pour viter de recevoir des messages redondants, le nud capteur change son mode en Off aprs une rception dun message dun de ses voisins. En outre un nud capteur annonce ses voisins quil a atteint un bas niveau dnergie, par consquence il ne va pas participer au routage des donnes, et lnergie restante va tre utilise pour capter et dtecter des tches.

Figure II.13 : Energie consomme par les sous-systmes dun capteur [42] II.4.7.7. Gestion de mobilit La couche de gestion de mobilit dtecte et enregistre le mouvement/mobilit des noeuds capteurs. En utilisant ces positions, les nuds capteurs peuvent connaitre qui sont leurs voisins. Parfois une auto-organisation des nuds est ncessaire cause de la destruction de quelques nuds. Dans ce cas, la couche de gestion de mobilit doit tre capable de faire changer la position des noeuds. II.4.7.8. La gestion des tches La couche de gestion des tches assure la coopration des efforts des noeuds capteurs, elle ordonnance les vnements capts, et les tches dtectes dans une zone de capture spcifique. Par consquent, les nuds capteurs qui appartiennent la mme zone de capture ne sont pas obligs deffectuer les tches de capture en mme temps. Selon leur niveau dnergie, quelques nuds capteurs peuvent accomplir des tches de capture mieux que dautres.

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II.5 Rseaux de capteurs vs rseaux ad hocLes MANETs et les WSNs partagent quelques points communs mais quelques fois avec un poids diffrent. Le tableau suivant rsume les similitudes et les diffrences entre les rseaux de capteurs sans fil et les rseaux ad hoc.

Rseau de capteurs sans fil Utilisation mdium sans fil. Dploiement hoc. Robuste pannes des nuds aux (autoad dun

Rseau MANET Utilisation mdium sans fil. Dploiement ad hoc. dun

Robuste aux pannes des nuds (auto-organisation).

organisation). Routage saut. La mobilit des nuds est restreinte. Grand nombre de nuds (de lordre de mille). Les nuds ont nuds. Nombre de nuds La mobilit des multiRoutage multi-saut.

moyen (de lordre de cents). Les nuds ont une grande capacit de traitement et de stockage. Gnrique/communic ation.

une basse capacit de traitement et de stockage. Un objectif cibl.

Les

nuds

Chaque nud a son propre objectif.

collaborent pour remplir un objectif. Flot donnes many-to-one . Lnergie est un facteur dterminant. Utilisation broadcast. du de

Flot any-to-any .

Le dbit est majeur.

Communication point point.

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Introduction sur les rseaux de capteurs sans fil Data-centric : souvent pas dadresses uniques, les requtes sont envoy tout les nuds. Adress-centric : une

adresse unique pour chaque nud utilise pour raliser la

communication entre les nuds.

Tableau II.1 : Rseaux de capteurs vs rseaux ad hoc

II.6 ConclusionLes caractristiques de flexibilit, de tolrance aux fautes, de fidlit leve de capture, les cots bas et la rapidit de dploiement des rseaux de capteurs, crent beaucoup de nouveaux domaines d'application pour la tldtection. Actuellement, cette large tendue dapplications fait que les rseaux de capteurs sont une partie intgrante de notre vie. Cependant, la ralisation des rseaux de capteurs doit effectivement satisfaire des contraintes tels que la tolrance aux fautes, la scalabilit, le cot, le matriel, le changement de topologie, l'environnement et la consommation efficace d'nergie. Puisque ces contraintes sont imprieuses pour les rseaux de capteur, de nouvelles techniques adhoc de gestion de rseaux sans fil sont exiges. Beaucoup de chercheurs soccupent actuellement dvelopper les technologies requises pour les diffrentes couches de la pile de protocoles comme nous allons le constater dans les chapitres suivants.

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Les systmes multi-agents

III.1 IntroductionLes systmes multi-agents ont connu un grand essor et un grand nombre dapplication dans diffrents domaines comme : la simulation de la vie artificielle, la robotique, la recherche dinformation, le traitement dimageetc. Grce son caractre dcentralis, le paradigme multi-agents prsente un moyen incontournable pour la modlisation et limplmentation des systmes complexes.

III.2 Les systmes complexesIII.2.1 DfinitionLes systmes complexes [43, 44] font lobjet dtudes actives dans bien des domaines : la physique, la biologie, les sciences humaines et sociales, et enfin les sciences cognitives. Il sagit donc dun domaine dtudes pluridisciplinaire. Les mathmaticiens, les physiciens thoriciens mais aussi les informaticiens ont permis la cration de mthodes, de formalismes et doutils de modlisation. Dun point de vue terminologique, le terme "complexe" vient du latin complexus qui signifie embrasser et englober. Un problme est qualifi de complexe lorsquon prouve de la difficult le rendre intelligible. Cette difficult peut provenir dun manque de connaissance, de mthode, de modle ou de temps. A lorigine de la complexit serait donc linteraction et la globalit. Le systme serait donc complexe parla diversit et la multitude des interactions. La figure III.1 est une illustration graphique simplifie des systmes complexes.

III.2.2 Caractristiques dun systme complexe ouvertUn systme complexe ouvert est un systme [43, 44] : qui contient un grand nombre (variable) dentits logicielles/matrielles. qui met en oeuvre de nombreuses interactions logiques/physiques. dont lenvironnement est dynamique et ouvert. qui possde des objectifs globaux. dont le contrle centralis est impossible. et qui, pour toutes ces raisons, nest pas entirement spcifiable.

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Figure III-1 : illustration graphique simplifie des systmes qui relvent de la complexit.

III.3 Lorigine du paradigme multi-agentLes systmes multi agents sont une approche de modlisation et dimplmentation qui est issue de la rencontre de divers domaines qui sont :

l'intelligence artificielle pour les aspects prise de dcision de l'agent. l'intelligence artificielle distribue pour la distribution de l'excution et la rsolution des problmes de nature distribue.

les systmes distribus pour les interactions. le gnie logiciel pour l'approche agents et l'volution vers des composants logiciels de plus en plus autonomes.

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III.4 Les agentsIII.4.1 DfinitionsAvant daborder les concepts fondamentaux des systmes multi agents, il est essentiel de bien dfinir ce quest un agent, pour cette raison, on va citer quelques dfinitions parce qu lheure actuelle il nexiste pas de dfinition standard de ce concept. Jacques Ferber [45] dfinit un agent comme tant une entit physique ou virtuelle voluant dans un environnement dont il na quune reprsentation partielle et sur lequel il peut agir (voir figure III.2). Il est capable de communiquer avec dautres agents et est dot dun comportement autonome.

Raisonnement

Perception

Action

Environnement

Figure III-2 : Fonctionnement dun agent.

Cette dfinition met la lumire sur une caractristique trs importante des agents qui est lautonomie, cette dernire est la capacit dun agent davoir le contrle de son comportement sans lintervention dun tre humain. Lautre caractristique aussi importante que la prcdente est la capacit dun agent communiquer avec dautres.

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Les systmes multi-agents Selon Yves Demazeau [46], un agent est une entit relle ou virtuelle dont le comportement est autonome, voluant dans un environnement quil est capable de percevoir et sur lequel il est capable dagir, et dinteragir avec les autres agents. Cette dfinition introduit la notion dinteraction, qui indique la capacit dun agent de communiquer avec les autres agents.

Pour Mickael Wooldridge [47], un agent est un systme informatique capable dagir de manire autonome et flexible dans un environnement. Par flexibilit on entend : Ractivit : un systme ractif maintient un lien constant avec son environnement et rpond aux changements qui y surviennent. Pro-activit : un systme pro-actif (aussi appel tlonomique) gnre et satisfait des buts. Son comportement nest donc pas uniquement dirig par des vnements. Capacits sociales : un systme social est capable dinteragir ou cooprer avec dautres systmes.

III.4.2 Les caractristiques multidimensionnelles dun agentLa nature : agents physiques ou virtuels. Lautonomie : lagent est plus ou moins indpendant de lutilisateur, des autres agents, et des ressources ( UC, mmoire, etc.) Lenvironnement : cest lespace dans lequel lagent va agir ; celui-ci peut se rduire au rseau constitu par lensemble des agents. La capacit reprsentationnelle : lagent peut avoir une vision trs locale de son environnement, mais il peut aussi avoir une reprsentation plus large de cet environnement et notamment des agents qui lentourent (accointances). Lobjectif (dimension tlonomique) : lagent peut poursuivre le but global du systme, peut satisfaire des objectifs propres ou mme se comporter dans la perspective de sabsoudre une fonction de survie. La perception : de lenvironnement par lagent. La communication : lagent aura plus ou moins de capacits communiquer avec les autres agents. Le raisonnement : lagent peut tre li un systme expert ou dautres mcanismes de raisonnements plus ou moins complexes.

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Les systmes multi-agents La quantit de ses congnres : le systme peut contenir de quelques-uns plusieurs milliers dagents. Le contrle : il peut tre totalement distribu entre les agents mais peut tre vou une certaine classe dagents comme les agents facilitateurs . Lanticipation : lagent peut plus ou moins avoir les capacits danticiper les vnements futurs. La granularit ou complexit : lagent peut tre trs simple comme un neurone mais aussi plus complexe. La contribution : lagent participe plus ou moins la rsolution du problme ou lactivit globale du systme. Lefficacit : lagent et sa rapidit dexcution, dintervention. La bienveillance : lagent a plus ou moins le devoir daider ses congnres plutt que de s'opposer eux. Intentionnalit : un agent intentionnel est un agent guid par ses buts. Rationalit : les agents rationnels disposent des critres dvaluation de leurs actions, et slectionnent selon ces critres les meilleures actions pour atteindre le but. Adaptabilit : un agent adaptable est un agent capable de contrler ses aptitudes (communicationnelles, comportementales, etc.) selon l'environnement. Engagement : La notion dengagement est lune des qualits essentielles des agents coopratifs. Un agent coopratif planifie ses actions par coordination et ngociation avec les autres agents. En construisant un plan pour atteindre un but, lagent se donne les moyens dy parvenir et donc sengage accomplir les actions qui satisfont ce but ; lagent croit quil a labor, ce qui le conduit agir en consquence. Intelligence : On appelle agent intelligent un agent cognitif, rationnel, proactif et adaptatif.

III.4.3 Taxonomie des agents III.4.3.1 Agents capacits cognitives ou ractivesAgent cognitif. Les agents capacits cognitives proviennent dune mtaphore du modle humain. Ces agents possdent une reprsentation explicite de leur environnement, des autres agents et deux-mmes. Ils sont aussi dots de capacits de raisonnement et de planification ainsi que de communication. Ces agents sont structurs en socit o il rgne donc une vritable organisation sociale. Le travail le

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Les systmes multi-agents plus reprsentatif de cette famille dagent porte sur le modle BDI (Believe Desir Intention) [48]. Agent ractif. Les agents capacits ractives ne possdent pas de moyen de mmorisation et nont pas de reprsentation explicite de leur environnement : ils fonctionnent selon un modle stimuli/rponse. En effet, ds quils peroivent une modification de leur environnement, ils rpondent par une action programme. Lexemple le plus clbre est celui de la fourmilire tudi par Alexis Drogoul [49]. Agent hybride. Les agents hybrides sont des agents ayant des capacits cognitives et ractives. Ils conjuguent en effet la rapidit de rponse des agents ractifs ainsi que les capacits de raisonnement des agents cognitifs. Cette famille regroupe donc des agents dont le modle est un compromis autonomie/coopration et efficacit/complexit.

III.4.3.2 Agents communicants ou situsUn agent purement communicant : est un systme ouvert qui dtient ses propres ressources. Il est conduit par lensemble de ses propres objectifs, et il peut communiquer avec dautres agents. Son comportement est li aux communications quil reoit [50]. Un agent purement situ : ne communique pas directement avec dautres agents. Les interactions se font via lenvironnement. Sa position dans lenvironnement est celle qui dtermine son comportement. Il peut se dplacer et se reproduire.

III.4.3.3 Classification base sur la structure de lagentDaprs [51] chaque agent est dcompos en architecture et programme. Selon cette structure on peut distinguer les types suivants : Agent rflexe simple (simple reflex agent) : caractris par lutilisation des rgles condition-action : if (condition) then action. Agent rflexe bas sur un modle dtat (model-based reflex agent) : lagent combine entre les perceptions courantes et lhistorique des tats internes (dit modle interne) afin de construire une description de ltat courant. Agent bas sur le but (Goal-based agent) : lagent utilise les connaissances sur ltat courant et des informations dcriant la situation dsirable afin dagir sur lenvironnement.

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Les systmes multi-agents Agent bas sur lutilit (utility-based agent) : durant le chemin vers le but final on peut assigner chaque tat dune configuration particulire de lenvironnement une valeur dutilit afin daboutir un comportement de bonne qualit. Agent dapprentissage (learning agent): afin damliorer la dcision de lagent, on lui donne le pouvoir dapprendre au fur et mesure ce dont il a besoin.

III.5 Les systmes multi-agentsIII.5.1 Dfinition Un systme multi-agent est un systme distribu compos dun ensemble dagents les SMA sont conus et implants idalement comme un ensemble dagents interagissant, le plus souvent, selon des modes de coopration, de concurrence ou de coexistence [52] De manire gnrale, le systme multi-agent est considr comme un systme distribu compos dun certain nombre dentits autonomes (les agents), qui travaillent selon des modes complexes d'interaction, pour raliser leurs propres buts et par-l mme atteindre l'objectif global dsir. Les agents peuvent interagir en communiquant directement entre eux ou par lintermdiaire dun autre agent ou en agissant sur leur environnement. La figure III.3 va illustrer des agent dans un SMA.

Agent SMA Environnement du SMA

Figure III-3 : Les agents dans un SMA [53]

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III.5.2 Taxonomie des systmes multi-agentsIII.5.2.1 Systme multi-agents ouvert ou ferm Un systme multi-agents ouvert [54] partage les caractristiques des systmes ouverts. Pour ce qui concerne les entits lmentaires du systme que sont les agents, ils nont pas la possibilit davoir une reprsentation complte de lenvironnement. Pour ce qui est du systme dans sa globalit, il doit tre modulaire et extensible. La modularit concerne le fait que les systmes multi-agents sont composs de plusieurs sous-systmes mis en relation. Ces sous-systmes ont chacun leur propre mode de fonctionnement. Lextensibilit se traduit par le fait que le systme multi-agents supporte lajout et le retrait dynamique dlments. A linverse, le qualificatif ferm signifie que lensemble des agents qui compose le systme reste le mme. III.5.2.2 Systme multi-agents homogne/htrogne Un systme multi-agents homogne est compos dagents homognes. Deux agents ont cette particularit sils sont identiques du point de vue de leur modle et de leur architecture. Le qualificatif htrogne est utilis pour prciser que le systme multi-agents est compos dagents diffrents du point de vue de leurs modles et de leurs architectures.

III.5.3 Les constituants dun systme muti-agentsDaprs Yves demazeau un SMA peut tre dcompos en quatre axes : un axe Agent, un axe Environnement, des Interactions et une structure Organisationnelle explicite ou non. SMA = Agent + Environnement + Interaction + Organisation De plus lintelligence dun systme multi-agents est suprieure la somme des intelligences individuelles des agents qui le composent. Ce phnomne est appel lintelligence mergente. Fonction (SMA) = fonction(Agent)+fonction collective III.5.3.1 Les agents (A) Ce concept est dj dfini prcdemment. III.5.3.2 Lenvironnement (E) Dans un systme multi-agents, on appelle environnement lespace commun aux agents du systme. Un environnement peut tre [55, 56]: Accessible : si un agent peut, laide des primitives de perception, dterminer ltat de lenvironnement et ainsi procder, par exemple, une action. Si lenvironnement 41

Les systmes multi-agents est inaccessible alors il faut que lagent soit dot de moyens de mmorisation afin denregistrer les modifications qui sont intervenues. Dterministe ou non : selon que ltat futur de lenvironnement sera ou non fix par son tat courant et les actions de lagent. Episodique : si le prochain tat de lenvironnement ne dpend pas des actions ralises par les agents. Statique : si ltat de lenvironnement est stable (ne change pas) pendant que lagent rflchit. Dans le cas contraire, il sera qualifi de dynamique. Discret : si le nombre des actions faisables et des tats de lenvironnement est fini. III.5.3.3 Les interactions (I) Une des principales proprits de l'agent dans un SMA est celle d'interagir avec les autres agents. Selon J.Ferber, Une interaction est la mise en relation dynamique de deux ou plusieurs agents par le biais dun ensemble dactions rciproques Les interactions sont non seulement la consquence dactions effectues par plusieurs agents en mme temps, mais aussi llment ncessaire la constitution dorganisations sociales. En effet, les interactions sont gnralement dfinies comme toute forme d'action excute au sein du systme dagents et qui a pour effet de modifier le comportement d'un autre agent. Les agents peuvent interagir en communiquant directement entre eux, par lintermdiaire dun autre agent ou mme en agissant sur leur environnement. Le tableau suivant illustre les diffrents mcanismes dinteraction.Buts ressources suffisantes Compatibles insuffisantes Comptences suffisantes insuffisantes suffisantes insuffisantes suffisantes insuffisantes insuffisantes suffisantes Type de situation indpendance Collaboration simple encombrement Collaboration coordonne Comptition individuelle pure Comptition collective pure Conflits individuels pour des ressources Conflits collectifs pour des ressources catgorie indiffrence

Coopration

suffisantes Incompatibles

antagonisme

insuffisantes

Tableau III.1 : Types dinteractions daprs [45] 42

Les systmes multi-agents III.5.3.4 Lorganisation (O) : On peut la dfinir comme tant une structure dcrivant les interactions et autres relations qui existent (dans le but d'attendrir un objectif commun) entre les membres de la dite organisation.

III.5.4 Plateformes pour les systmes multi agentsPour quun outil soit considr comme un environnement de dveloppement des systmes multi agents, il doit rpondre aux exigences suivantes : Acclrer le dveloppement et diminuer leffort de programmation. Abstraire les mcanismes de communication, dinteraction et de coordination. Permettre limplmentation de systmes relativement complexes. Permettre une bonne extensibilit du code. Fournir un support pour le dploiement (et lexcution) des systmes.

III.5.4.1 AgentToolCest un outil et une mthodologie qui mettent laccent sur les premires phases du dveloppement (analyse et dveloppement). Il utilise la mthodologie MaSE (extension au modle OO a 7 phases) : Trouver les buts, appliquer les cas dutilisation, raffiner les rles, crer les classes dagents, construire les conversations, assembler les classes dagents et limplmentation. Cest un outil qui permet la validation des conversations. Il gnre le code des conversations en Java.

III.5.4.2 AgentBuilderCest un environnement de dveloppement complet. Il utilise la mthodologie OMT laquelle il ajoute une partie ontologie, les agents sont construits partir dun modle BDI et de AGENT-0, le langage de communication entre les agents est KQML, lexcution se fait partir de lengin dAgentBuilder, qui a la possibilit de gnrer des fichiers .class et dexcuter les systmes sur une JVM standard.

III.5.4.3 JackCest un gestionnaire de projet, qui a un diteur de textes o se fait limplmentation du systme, la compilation et un passage de JAL Java, puis lexcution du systme. Le langage JAL (Jack Agent Language) est une extension du langage Java. Il est dvelopp par Agent Oriented Software Pty. Ltd., une socit australienne. Les agents sont bass sur un modle BDI (une volution du modle BDI de dMars). Jack Agent Kernel est la librairie de classes permettant lexcution des agents.

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III.5.4.4 DECAFCest un environnement de dveloppement de plans. Cet outil fournit des utilitaires pour llaboration de plans et pour la coordination des tches. Il est dot dun planificateur qui applique des heuristiques pour trouver un ordonnancement aux tches et dun diteur dagent trs utile pour le dbogage.

III.5.4.5 JadeCest un outil rpondant aux normes FIPA. Les trois modules principaux (ncessaires aux normes FIPA): le DF directory facilitator fourni un service de pages jaunes la plate-forme, le ACC agent communication chanel gre la communication entre les agents, le AMS agent management system supervise lenregistrement des agents, leur authentification, leur accs et lutilisation du systme. Le langage de communication entre les agents est FIPA ACL. Jade possde aussi un diteur pour

lenregistrement et la gestion des agents.

III.5.4.6 JAFMAS et JiVEJAFMAS met laccent sur les protocoles de communication, linteraction entre les agents, la coordination et la cohrence lintrieur du systme. Une mthodologie en cinq phases : identifier les agents, les conversations, les rgles de conversation, analyser le modle des conversations et limplmentation. Il utilise les rseaux de Ptri. JiVE est le support graphique pour le dveloppement avec JAFMAS.

III.5.4.7 ZeusCest un environnement de dveloppement complet dvelopp par lAgent Research Program du British Telecom Intelligent System Research Laboratory, il utilise une approche role modeling . Les agents possdent trois couches : La dfinition : lagent est peru comme une entit autonome capable de raisonner grce ses croyances, ses ressources et ses prfrences. Lorganisation : relations entre les agents. La coordination : modes de communication entre les agents, protocoles, coordination et autres mcanismes dinteraction.

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III.5.4.8 MadkitMadKit (Mutlti-agents Developpement Kit) est un environnement crit en Java bas sur la mthodologie Aalaadin ou AGR (agent/ groupe / rle). Un agent joue des rles lintrieur du groupe. MadKit a t dvelopp en1996 par Olivier GUTKNECHT et Michel FERBER au laboratoire dInformatique, de Robotique et de Microlectronique de Montpellier (LIRMM) de luniversit Montpellier II. Loutil fournit un diteur permettant le dploiement et la gestion des SMA (G-box). Il offre aussi un utilitaire pour effectuer des simulations grande chelle.

III.6 ConclusionLa complexit qui caractrise les systmes informatiques daujourdhui, et le contrle centralis extrmement difficile de ces derniers, voire impossible, la plupart du temps, a conduit introduire le paradigme multi-agents qui est issu de lIAD (intelligence artificielle distribue) et qui est bas sur des techniques de dcentralisation des traitements et des contrles pour amliorer les performances et assurer un fonctionnement cohrent des systmes informatiques.

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La simulation des rseaux de capteurs

V.1 introductionPuisque la simulation dun rseau de capteurs avant son dploiement rel reprsente une alternative moins coteuse et moins lourde que son exprimentation en environnement rel, On va prsenter dans ce chapitre les raisons dimplmenter une plate-forme de simulation des rseaux de capteurs et on va citer quelques simulateurs de rseaux de capteurs qui sont actuellement disponibles.

V.2 Diffrentes approches de testV.2.1 Le test en environnement relLa premire approche pour tester un protocole ou une application consiste mettre rellement en oeuvre le rseau capteur sans fil quon doit tester. Cette solution est priori la meilleure dans la mesure o l'on utilise vraiment le systme oprationnel ainsi que l'implmentation finale du protocole. Cependant, cette solution peut tre assez difficile mettre en oeuvre et peut tre trs coteuse dans certains cas. Un autre point ngatif de cette solution est l'impossibilit d'valuer le protocole aux conditions limites de propagation (pendant une tempte par exemple) ou de mobilit (par exemple avec des vitesses de dplacement trs importantes). De mme, il est trs difficile de russir mettre en oeuvre des cas rares. Enfin, cette solution n'autorise pas au dveloppeur l'exacte reproduction des conditions d'une exprience l'autre, ce qui peut tre trs gnant pour russir mettre au point son protocole.

V.2.2 La simulationLa deuxime solution est la simulation. Cest souvent ce choix qui est fait par la communaut scientifique. Elle possde en effet l'avantage de reposer sur des modles valids ou au moins reconnus. Il existe plusieurs simulateurs vnements discrets permettant de mettre en oeuvre un rseau sans fil tels que NS-2, Opnet, QualNet et GloMoSim. Un simulateur vnements discrets se caractrise par le fait que les changements d'tats dans le rseau simul (vnements) se produisent des instants (sans dure) rpartis de manire discrte sur l'axe des temps. La simulation demande une modlisation complte, allant des applications au rseau physique, ce qui peut se rvler la fois complexe et coteux en terme de temps d'excution et d'utilisation mmoire dans le

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