Mémoire de Stage de fin d’études Master Informatique Option Réseaux et Systèmes Communicants Rédigé par Mr. Tall HAMADOUN Réseau maillé sans fil à basse consommation énergétique Encadrants Mr. Hervé Rivano Chargé de Recherche INRIA Mr. Khaled Boussetta Maître de Conférences INRIA/Université de Paris 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Remerciements Le travail réalisé tout au long de ce stage n’a été possible qu’avec l’aide et le soutien de nombreuses personnes.
Je profite donc de l’occasion qui m’est donnée ici, pour leur exprimer toute ma gratitude. Au niveau du Laboratoire CITI : – Je tiens tout d’abord à remercier M.Hervé RIVANO et M.Khaled BOUSSETTA pour leur encadrement, leur disponibilité et les nombreux et précieux conseils qu’ils m’ont prodigué au cours de ces six mois de stage. – Je remercie très sincèrement le professeur Fabrice VALOIS, chercheur au Laboratoire CITI, et mon encadrant M.RIVANO pour les échanges très fructueux que nous avons eu au moment où je cherchais le stage. – Je voudrais également remercier tous le personnel du CITI au près du quel je suis resté pendant ces 6 mois de stage.
En particulier Gaëlle TWORKOWSKI et les stagiaires Julien DELABORDE et Tristan POURCELOT avec qui j’ai le plus échangé durant ma présence au CITI. Du coté de l’IFI et du Bureau Asie pacifique de l’AUF : – Mes remerciement à la Direction de l’IFI et à tous les enseignants pour les précieux cours reçus pendant les trois semestres passer au sein de l’institut. – Je dis un grand merci à M.Victor MORARU et à M.Van Nam NGUYEN, mes deux en- cadrants du module Travail Personnel Encadré du Master 1, pour leur encadrement et les conseils reçus pendant les 2 semestres de travail commun. – Je remercie également M.Alain BOUCHER, ex Directeur des études de l’IFI pour tous con- seils pratiques qui m’ont permis de bien préparer mon voyage au Vietnam après mon admis- sion à l’IFI.
– Mes remerciements au Bureau Asie-Pacifique de l’AUF pour m’avoir permis de poursuivre mes études très loin de mon pays, le Burkina Faso. – Je remercie ma famille et mes amis pour leur irremplaçable et inconditionnel soutien. – Enfin, bien sûr, je remercie tous mes camarades de classe à l’IFI pour les très bonnes relations que nous avons entretenus pendant les trois semestres d’études à l’IFI. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Résumé Dans ce travail, nous nous sommes intéressé à un cas d’usage où le fonctionnement des ter- minaux du mobilier urbain intelligent est géré par un serveur situé sur le réseau Internet.
Dans le cas d’un déploiement, il n’est pas toujours possible de garantir une connectivité directe de ces terminaux avec le réseau Internet, ni filaire, ni en étant à portée d’un point d’accès radio. Pendant ce stage, nous avons étudié l’usage d’un réseau maillé 6LoWPAN de capteurs Z1 pour assurer la connectivité entre le serveur du réseau internet et les terminaux du mobilier urbain intelligent. Les capteurs du réseau 6LoWPAN fonctionnent sur des batteries, donc très limités en ressources énergétiques. Dans un premier temps, nous avons focalisé notre étude sur la minimisation de la consommation énergétique du réseau de capteurs en réduisant le trafic de contrôle du protocole de routage RPL (Routing Protocol for low power and Lossy network) puis en optimisant les cycles de réveil-sommeil (Duty-Cycle) des capteurs.
Dans une seconde partie, nous avons étudié le mécanisme de fonctionnement des passerelles qui vont assurer d’une part la connectivité entre le serveur Internet et le réseau 6LoWPAN et d’autre part entre le réseau 6LoWPAN et le mobilier urbain intelligent. Nous avons enfin mis en place une plate-forme d’expérimentation sur des capteurs Zolertia Z1 pour montrer le fonctionnement de notre infrastructure. L’étude sur l’optimisation de la consommation énergétique a été faite, par méthode analytique et par des simulations à l’aide du simulateur Cooja associé au système d’exploitation des capteurs Contiki OS. Les résultats obtenus permettent de dire que lorsque le réseau est assez stable et que le trafic de données est très sporadique alors on peut espérer une durée d’autonomie d’environ 18mois pour chaque capteur alimenté par deux batteries de type LR6 AA1,5V de 15390 Joules.
Mots clés : Réseau de capteurs, 6LoWPAN, RPL, trafic de contrôle, Consommation énergétique, Duty- Cycle, capteurs Z1 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Abstract The operation of the smart urban furniture is manage by a server connected to the internet network. In the deployment of this infrastructure, it is a big challenge to ensure the connectivity between the server and the urbain terminals. In this subject, we study how to use a 6LoWPAN sensor network to connect the urban terminals to the internet server. The sensors are battery powered, so we have to optimize the energy consumption of the network’s nodes to avoid the discharge of batteries leading to a network outage.
In this report, we optimize the nodes energy consumption by reducing the RPL routing proto- cole control message and reducing the sensors Duty-Cycle by puting the sensors in the sleep mode most of the time. After optimizing the motes energy consumption, we studied how to configure the gatways to route data between the sensor network and the internet server. we also made an experi- mentation using real Zolertia z1 motes. We get them communicate with a personal computer using IPv6 protocole.
we conducted analytical studies and simulations with Cooja simulator of Contiki OS. Our result shown that, using two (02) LR6 AA1,5V Batteries, if the data frequecy is low we can get te Zolertia z1 motes to work for 18 months before the batteries to be decharge. Key words : sensors network, 6LoWPAN, control message and energy consumption 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Table des matières 1 Introduction 11 1.5 Environnement du stage .6 Organisation du rapport .1 Généralités sur les réseaux de capteurs .2 La norme IEEE 802.4 et les réseaux 6LoWPAN .1 La norme IEEE 802.1 La couche physique .2 La sous-couche MAC .3 La technologie 6LoWPAN .1 La couche d’adaptation 6LoWPAN .2 Le mécanisme de compression des entêtes des paquets IPv6 .4 Le routage dans les réseaux de capteurs .1 Le protocole RPL .1 Procédure de construction du DODAG .2 Les différentes métriques du protocole RPL .3 Les modes de fonctionnement du protocole RPL .4 Les messages de contrôle du protocole RPL .5 Mécanisme de réparation du DODAG .2 Le fonctionnement de l’algorithme Trickle. 25 3 Optimisation de la consommation énergétique 28 3.2 État de l’art .1 Mécanisme du Duty-Cycle pour les capteurs.
28 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Réduction du pourcentage du Duty-Cycle pour économiser l’énergie 29 3.2 Économie d’énergie par l’optimisation du trafic de contrôle .3 Modélisation de la consommation énergétique des capteurs .1 Réduction de la probabilité P TI(i) d’émission des messages de contrôle .1 Utilisation d’un modèle analytique .2 Détermination de la valeur de D qui optimise la consommation énergétique 37 4 Simulations et Résultats 39 4.1 L’environnement de simulation .2 Le système d’exploitation ContikiOS et le simulateur Cooja .1 Optimisation du trafic de contrôle par simulation .2 Vérification de la rélation entre k et N Deg sur un scénario de trois nœuds .3 Les valeurs de D et la consommation énergétique du réseau .1 Consommation énergétique pour un scénario de 5 nœuds en ligne .2 Comparaison de la consommation du CPU et de la Radio sur 24heures de réseau .3 Evolution de la consommation en fonction des intervalles de Trickle 47 4.4 Temps de convergence du réseau. 48 5 Plate-forme expérimentale 50 5.1 La plate-forme des capteurs Z1 .2 La plate-forme des passerelles, Sheevaplug .3 Vue globale du réseau. 52 6 Conclusion et perspectives 54 6.3 Détailles des différents messages du protocole RPL .1 Les différentes options possible dans un message DIO sont : .2 Les différentes options des messages DAO .3 Les trois options possible dans les messages DIS sont présenterés en détaille ci-dessous.4 Configuration du Serveur .5 Configuration de la passerelle 1 (GW1) .6 Configuration des passerelles 2, 3 et 4 .1 Manipulations à faire sur les capteurs avant de flasher le code. 69 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Téléchargement du code sur le capteur.
70 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Table des figures 2.1 Architecture d’un nœud capteur [21] .2 Exemple de réseau de capteurs .3 Table des fréquences et de bande passante de IEEE 802.4 Compression HC1 d’en-tête IPv6 avec 6LoWPAN [7] .5 Compression IPHC d’en-tête IPv6 avec 6LoWPAN [7] .6 Réseau physique utilisé pour construire le DODAG[8] .7 Diffusion des DIO par le LBR [8] .8 Choix du LBR comme noeud parent [8] .9 Poursuite de la construction du DODAG [8] .10 DODDAG final construit par RPL [8] .11 Fonctionnement en ”Non-Storing mode ”du protocole RPL .12 Fonctionnement en “Storing mode” du protocole RPL .13 Algorithme de Trickle .14 Fonctionnement de Trickle sans inconsistance .1 Evolution de la consommation énergétique en fonction du Duty-Cycle [2] .2 Consommation énergétique en fonction du Duty-Cycle et du nombre de nœuds [2] .3 Énergie consommée en fonction de la méthode d’assignation du Duty-Cycle[3] .4 Influence des messages de contrôle sur le Duty-cycle dans RPL[10] .5 Pourcentage des messages DIO en fonction de la contance k de l’algorithme Triclke[5] 32 3.6 Émission des messages de contrôle dans un scénario à trois nœuds .7 Fonctionnement du module radio sur un intervalle I .8 Emission des messages DIO sur une ériode de D + 2CCA ms .1 Fenêtre de simulation et choix du firmware sur Cooja .2 Compilation et lancement de la simulations sur Cooja .3 Evolution de P TI(i) sans trafic de donnée .4 Tableau comparatif de la probabilité d’émission des messages DIO .5 Scénario de simulation à 3 noeuds .6 Temps cumulé en ticks et energie consommée pour la transmission des messages de contrôle. 43 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.7 Scénario de simulation à 5 noeuds .8 Consommation énergétique sur 10h30 et19h30 de réseau .9 Évaluation de l’énergie consommée par le CPU et la Radio .10 Consommation pour chaque phase de l’algorithme Trickle .1 Les capteurs Zolertia Z1 .3 Scénario d’interconnexion 6LoWPAN-IPv4 .4 Scénario de l’expérimentation .1 Format du message DODAG Information Object [6] .2 Format du message DAO [6] .3 Format du message DAO-ACK [6] .4 Format du message DIS [6] .5 Format de l’option Pad1[6] .6 Format de l’option PadN[6] .7 Format de l’option “DAG Metric Container”[6] .8 Format de l’option “Routing Information”[6] .9 Format de l’option “DODAG Configuration”[6] .10 Format de l’option “Prefix Information”[6] .11 Format de l’option “RPL Target”[6] .12 Format de l’option “Transit Information“[6] .13 Format de l’option “RPL Target Descriptor”[6] .14 Format de l’option Pad1[6] .15 Format de l’option PadN[6] .16 Format de l’option “Solicited Information”[6] .17 Capture d’écran des messages affichés. 72 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Liste des tableaux 3.1 Résultats statistiques de la méthode analytique .1 Evolution de P TI(i) en fonction du degré y et de k selon le modèle analytique .2 Evolution de P TI(i) avec trafic de données .3 Temps de convergence du réseau en fonction de la valeur de D. 48 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chapitre 1 Introduction 1.1 Contexte Les réseaux radio maillés sont composés de routeurs radio interconnectant des terminaux mo- biles ou fixes à un ou plusieurs points d’accès du réseau Internet.
Dans ces réseaux de routeurs radio, les fonctionnalités de routage et de communication radio sont très coûteuses en énergie. La maximisation de la durée de vie du réseau est une question fondamentale à la quelle il faut trouver une réponse adéquate. Avec la miniaturisation croissante des équipements électroniques et les progrès réalisés dans les technologies de communication sans fil, on note une émergence des capteurs sans fil (Micaz, TelosB, Zolertia Z1) à faible coût avec une consommation énergétique raisonnable.