LA CONSERVATION D’ENERGIE DANS

LES RÉSEAUX DE CAPTEURS

Réalisé par :Assia . Merradi

Encadré par :Mr. Rida ABDESSEMED

Master 2 Ingénierie des réseaux et communication (IRC)

Le plan du travail ……

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Introduction

Généralité sur les RCSF

La consommation d’énergie dans les RCSF

Techniques de conservation d’énergie dans les RCSF

Le routage dans les RCSF

Le protocole AODV des réseaux ad hoc

Les filtres de traitement d’images

Analogie entre les RCSF & les TI

Notre contribution

Conclusion

INTRODUCTION

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Dans les réseaux de capteurs sans fil, la conservation d'énergie est un problème important. Plusieurs travaux se concentrent à la conservation d’énergie dans la communication en concevant des protocoles de routage spécialement pour ces réseaux. Dans ce contexte nous présentant une nouvelle manière de routage étudié dans [YAS, 2010].qui fait un lien entre les WSN et les techniques de traitement d’images et qui a été intégré dans le protocole AODV. le réseau de capteurs est considéré comme une image avec des régions noires, blanches et grises. Après cette représentation et afin de prolonger la durée de vie du réseau et trouver le meilleur routage, nous allons utiliser l’opérateur de Sobel pour détecter la variation d’énergie dans ce réseau à l’aide du gradient d'énergie ce qui nous va permettre de trouver les chemins de la source vers la destination passant par les régions claires de l’image. Notre contribution consiste à mettre l’accent sur la longueur du chemin choisi en suivant la direction du gradient, afin d’assurer un bon compromis entre un bon chemin en terme d’énergie et un bon chemin en terme de nombre de sauts.

Qu’est-ce qu’un réseau de capteur

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Le développement des Réseaux de Capteurs Sans Fils a été rendu possible grâce aux avancées et à la convergence des :

• Systèmes Micro-Électroniques• Systèmes Micro-Électromécaniques• Technologies des réseaux sans fils• Miniaturisation

type spéciale de réseaux ad hoc qui se composent d’un grand nombre de nœuds capteurs.

ces capteurs communicants sont intégrés dans une zone d’intérêt dont le but est la surveillance de zones.

Réseaux combinant les systèmes distribués et les systèmes embarqués, à faible coût, et interviennent dans beaucoup d’applications innovantes.

UN NŒUD CAPTEUR

Composant physique capable d’accomplir trois taches:

- Relevé du grandeur physique.

- Le traitement de cette information.

- La communication. Il possède deux zones:

zone de perception (SR),

zone de communication (CR).

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Unité d’acquisition

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Système de localisation de l’environnement Système de mobilité

Unité de traitement Unité de communication

Capteur ADC

MémoireMémoire

CPUCPU

Réception/émettion

ARCHITECTURE D’UN NŒUD CAPTEUR

sinkInternet et satellite

Zone de captage

Nœud capteur

ARCHITECTURE D’UN RCSF

Gestionnaire de taches

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Absence d’infrastructure ou d’administration centralisée.

Nœuds responsable de la gestion et maintenance du réseau.

Absence d'infrastructure.

Topologie dynamique.

Bande passante limitée.

Contraintes d'énergie.

Sécurité limitée .

Erreur de transmission.

Interférences.

Dans le cas d’un RCSF mobile Déplacement libre et aléatoire. Changement imprévisible de la topologie.

Medium de communication partagé.Bande passante réservé à un hôte soit

limitée.

Réseaux vulnérable (piratage, écoute non limité…….).

Utilisation d’onde radio pour la communication fréquente erreurs de transmission.

Utilisation simultané d’une même fréquence.

Utilisation de fréquence proche.Interférence provenant d’autre

machines non dédié à la télécommunications

Sources d’énergies autonomes. Épuisement déconnexion.

CARACTÉRISTIQUES DES RCSF

8

M

Agriculture

Domaine militaires

Le contrôle des forces, équipement et munition Reconnaissance et surveillance du champ de bataille Estimation des dégâts

APPLICATION DES RCSF

9

Domaine médical

Le Suivi et la surveillance des médecins et des patients au sein de l’hôpitalL’administration des médicaments

APPLICATION DES RCSF

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Applications dans l’environnement

Détection des incendies de forêtsles capteurs peuvent être déployés d’une façon aléatoire, et dense dans n’importe quel type de forêt, ils peuvent facilement détecter et rapporter l’origine de l’incendie à l’utilisateur avant qu’il se propage et devienne incontrôlable.

APPLICATION DES RCSF

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LA CONSOMMATION D’ÉNERGIE DANS LES RCSF

La consommation d’énergie est l’une des plus importantes métriques de performances

dans les réseaux de capteurs, elle est directement liée à la durée de vie opérationnelle

du réseau.

Cette consommation d’énergie peut s’avérer critique, vu que les nœuds ne sont

généralement pas connectés à une source d’énergie constante.

L’énergie limitée des nœuds amène à choisir des protocoles et des opérations de

réseau peu consommatrices d’énergie. Cela concerne aussi bien les opérations des

couches physique, liaison de données et routage que les mécanismes de sécurité.

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LA CONSOMMATION D’ÉNERGIE DANS LES RCSF

1. Energie de captureLes sources de consommation d'énergie des nœuds pour les opérations de capture sont : l’échantillonnage, la conversion analogique-numérique, le traitement de signal et l’activation de la sonde de capture. En général, l’énergie de capture représente un faible pourcentage de l’énergie totale consommé par un nœud.

2. Energie de traitementL’énergie de traitement se divise en deux parties : l’énergie de commutation et l’énergie de fuite. L’énergie de commutation est déterminée par la tension d’alimentation et la capacité totale commutée au niveau logiciel (en exécutant un logiciel). Par contre l’énergie de fuite correspond à l’énergie consommée lorsque l’unité de calcul n’effectue aucun traitement. En général, l’énergie de traitement est faible par rapport à celle nécessaire pour la communication.3. Energie de communication

L’énergie de communication se décline en deux parties : l’énergie de réception et l’énergie de l’émission. Cette énergie est déterminée par la quantité des données à communiquer et la distance de transmission, ainsi que par les propriétés physiques du module radio. L’émission d’un signal est caractérisée par sa puissance. Quand la puissance d’émission est élevée, le signal aura une grande portée et l’énergie consommée sera plus élevée. Notons que l’énergie de communication représente la portion la plus grande de l’énergie consommée par un nœud capteur.

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LA SURCONSOMMATION D’ÉNERGIE DANS LES RCSF

Est-ce que je dois présenter ses phénomènes ou pas?????

Protocole réactif à vecteur de distance dédié au réseaux ad hoc.

Chaque en-tête de paquet contient une route, qui est représenté comme une

séquence complète de nœuds entre la source et la destination.

Le Protocole se compose de deux phases

La découverte de la route.

La maintenance des routes.

AD HOC ON DEMAND DISTANCE VECTOR (AODV)

DÉCOUVERTE DE ROUTE DANS AODV Un nœud diffuse une requête de route (RREQ), dans le cas où il aurait besoin de connaître une route vers une certaine destination et qu’une telle route n’est pas disponible.

après la diffusion du RREQ, la source attend le paquet réponse de route (RREP ).

Si ce dernier n’est pas reçu durant une certaine période (appelée RREP_WAIT_TIME), la source peut rediffuser une nouvelle requête RREQ.

Quand un nœud de transit (intermédiaire) envoie le paquet de la requête à un voisin, il sauvegarde aussi l’identificateur du nœud à partir duquel la première copie de la requête est reçue.

Cette information est utilisée pour construire le chemin inverse, qui sera traversé par le paquet RREP de manière unicast.

Puisque le paquet RREP va être envoyé à la source, les nœuds appartenant au chemin de retour vont modifier leurs tables de routage suivant le chemin contenu dans le paquet de réponse (temps d’expiration, numéro de séquence et prochain saut).

B

A

S EF

H

J

D

C

G

IK

Z

Y

Représente le nœud qui a reçu RREQ de s

M

N

LB

S E

C

Represente la transmission de RREQ

Broadcast

A

F

HG

• Nœud H reçoit le paquet RREQ de deux voisins: risque de collision

H

JG

IK

•Nœud C reçoit RREQ de G et H, mais ne le transmet pas à nouveau, parce que le nœud C a déjà transmis une fois RREQ.

D

I

M

• Nœuds J et K envoient tous les deux RREQ au nœud D• Comme les nœuds J et K sont cachés les uns des autres, leurs transmissions peuvent entrer en collision

[S,C,G,K]

J

• Le Nœud D ne transmet pas RREQ, parce que D est la cible de la découverte de route

M L

LA REQUÊTE RREQ

B

A

S EF

H

J

D

C

G

IK

Z

Y

M

N

L

RREP [S,E,F,J,D]

Représente RREP (Request replay)

LA REQUÊTE RREP

DATA [S,E,F,J,D]

la taille de l'entête des paquet grandit avec la longueur de la route.

APPLICATION TI

Hauteur

Largeur

j indice de colonne

i indice de lignes

0

Le pixel [i, j]

I [i, j] = N

Valeur niveau de gris

UNE IMAGE EN NIVEAU DE GRIS

Une image numérique I

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Beaucoup de traitements d’images sont basés sur les produits de convolutions Un produit de convolution, est un opérateur mathématique qu’on utilise pour multiplier des matrices entre elles.

Dans le cas qui nous intéresse, nous mettons en jeu deux matrices très différentes:1. La matrice image, très grande (par exemple 512 x 512)2. Une matrice plus petite qu’on appelle le noyau parce que c’est le "cœur" de tous les changements qui vont affecter l’image.

Le noyau va donc agir sur chacun des pixels, c’est à dire sur chacun des éléments de la matrice "image"

LES FILTRES DE CONVOLUTION

a1 a2 a3

a4 a5 a6

a7 a8 a9

k1 k2 k3

k4 k5 k6

k7 k8 9

a1 a2 a3

a4 g5 a6

a7 a8 a9

Masque de convolutionImage originale

Image convoluée

g5 = (a1*k1) + (a2*k2) + …. +(a9*k9)

Ce filtre représente la forme et la taille du voisinage et il facilite le calcul de la moyenne en remplaçant chaque pixel par la valeur moyenne des pixels adjacents et le pixel central.

Le filtre moyen est le type le plus simple de filtre passe-bas car dans ce filtre tous les coefficients ont des valeurs identiques. Ses caractéristiques sont définies par la largeur, la hauteur et la forme du noyau.

Le lissage peut être réglé en changeant la forme du filtre. Lorsque la taille du noyau augmente, le lissage augmente. Le choix de la taille du noyau et la forme est un compromis entre la réduction de bruit et le faible effet flou.

Dans le cas de l’exemple, le nœud central contribue pour la moitié du poids par rapport aux régions voisines.

LE FILTRE MOYEN

EXEMPLE DE FILTRE MOYEN

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avec

Le gradient est un vecteur indiquant la façon dont une grandeur physique varie dans l'espace.

Dans une image, il est représenté par le vecteur

Où I(x, y) est la fonction d'intensité.

LE GRADIENT D'UNE IMAGE

Le filtre de Sobel est un opérateur utilisé en traitement d'image pour calculer le gradient et détecter les contours à partir de l'intensité des pixels dans l’image. Par la direction du gradient, on peut connaître la répartition de la densité et la luminosité des pixels. Par conséquent, on arrive à détecter les zones sombres et les zones claires dans cette image. L'opérateur de Sobel est basé sur le produit de convolution. Il aide, par l’idée de gradient, à trouver les variations à haute luminosité dans l'image en employant une fonction de deux variables pour l'axe horizontal (X) et l'axe verticalLes deux noyaux utilisés en Sobel :

LE FILTRE SOBEL

Chacun des noyaux est en fait un filtre gradient.

Si nous appliquons ces deux noyaux sur notre image, nous obtenons les résultats montrés dans la figure :

EXEMPLE DE FILTRE SOBEL

ANALOGIE ENTRE LES RCSF ET LE NIVEAU DE GRIS D’UNE IMAGE

Nous représentons la capacité des capteurs du réseau par une image. Le pixel avec des coordonnées (X,Y) représente le capteur situé à (X, Y) avec une valeur de sa capacité énergétique Cx,y. On lie cette capacité à sa luminosité 0 ≤ Cx,y ≤ 255. Tous les capteurs avec une batterie pleine sont représentés par un pixel blanc Tous les capteurs avec une batterie vide seront représentés par des pixels noirs. De cette façon, on peut regarder le réseau de capteurs comme une image avec des régions noires, blanches et grises.

Le réseau en niveau de gris

Batterieépuisée

Batteriemoyenne

Batterie pleine

Nous avons couper le voisinage d’un nœud capteur dans un rayon R en huit secteurs d’énergie afin de comparer l'énergie de ce nœud par rapport à ses voisins, comme le montre la figure suivante :

Chacun de ces huit secteurs aura une énergie moyenne qui sera utilisée pour créer la matrice énergétique M.

ANALOGIE ENTRE LES RCSF ET LE NIVEAU DE GRIS D’UNE IMAGE

M est une matrice 3 × 3 qui représente les valeurs énergétiques des nœuds autour d’un nœud central :

Où • Cx,y est la capacité énergétique du nœud ayant les coordonnées (x,y) et • Si est la valeur de l’énergie du secteur si.

LA MATRICE M

le produit de convolution est obtenu par la multiplication de deux matrices comportant :

1- la matrice Mx, y, qui représente les valeurs de l'énergie des secteurs autour d'un nœud central (matrice énergétique).2- la matrice appelée le noyau ou le filtre, noté K. Ce noyau s’applique successivement à chaque pixel que nous appelons le «pixel initial». Il multiplie la valeur de ce pixel et les valeurs des huit secteurs qui l'entourent par la valeur correspondante du noyau. Puis il ajoute les résultats et le pixel initial est fixé à cette valeur finale.

  Le produit de convolution de deux matrices K et M d’une taille de (n+1) × (p+1) est défini par la formule :

LE PRODUIT DE CONVOLUTION

Pour obtenir les paramètres du routage basé sur l’énergie dans un réseau de capteurs sans fil, nous avons utilisé le filtre de convolution donné par le noyau suivant:

En utilisant ce filtre, le produit de convolution K * M nous donnera la moyenne de l'énergie autour du nœud central. Il remplace chaque pixel par la valeur moyenne des pixels adjacents et du pixel central. le nœud central contribue pour la moitié du poids par rapport aux régions voisines. Par conséquent, un nœud d'une grande capacité énergétique sera choisi pour transmettre les paquets.

LE FILTRE MOYEN

En remplaçant une image par un RCSF, nous allons utiliser l’opérateur de Sobel pour détecter la variation d’énergie dans ce réseau à l’aide du gradient d'énergie. Afin de calculer le gradient d’énergie, nous utilisons la définition suivante :

LE FILTRE SOBEL

Définition : gradient d’énergie•Soit E l'image en niveaux de gris qui représente la capacité énergétique d'un réseau.•Soit Mi,j les sous-matrices 3 × 3 de E centré sur Ei,j.

alors le gradient d’énergie Gi,j = (Gx,Gy) dans le capteur i, j est donné par le produit de convolution suivant :

Dans l'algorithme de Sobel Gi,j représente le gradient de l'intensité de gris au pixel (i, j). Cette intensité est liée à la capacité de la batterie du capteur (i, j) par définition. La norme du gradient est donnée par:

Et la direction du gradient est donnée par :

Les produits de la multiplication de matrice Mi par les matrices Kx, Ky sur les deux axes x et y sont:•sur l’axe x : Gx = Mi * Kx

= S7+2S8+S1-S3-2S4-S5

LE FILTRE SOBEL

PRINCIPE DE L’ALGORITHME MOYEN

PRINCIPE DE L’ALGORITHME SOBEL

Ici j’explique ces deux principes

Le protocole de routage proposé

Algorithme de Moyenne Algorithme de Sobel

L’algorithme hybride

Je cite ses avantages Je cite ses avantages

L’ALGORITHME HYBRIDE

VALIDATION DE L’ALGORITHME HYBRIDE

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CONCLUSION & PERSPECTIFS

Dans le but de prolonger la durée de vie d’un réseaux de capteurs, nous allons proposer une technique dont l’objectif est d’améliorer le processus de routage, tout en équilibrant la consommation d’énergie des nœuds et assurant une bonne couverture avec le moindre d’épuisement.

XI) Perspectives de recherche et Challenges dans les WSNs:Le nombre important d’applications et des communications laisse dire que ce domaine de recherche est résolu d’avance, la réalité est autre; en fait, les problèmes et les contraintes lies a ce domaines sont loin d’être résolus. Il n’y a aucun standard qui régie les WSNs, les problèmes de communications, de traitement des données et de la gestion du capteur lui même, sont partiellement identifies est les solutions apportées sont souvent spécifiques a un cas précis. L’essentiel des challenges techniques lances par la communauté des chercheurs se résume aux problèmes de: la découverte du réseau, le routage et le contrôle du réseau, le traitement collaboratif des informations et la collecte et la dissémination des données

MERCI POUR VOTRE ATTENTION

DES QUESTIONS ????

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