Un réseau de capteurs sans fil (WSN) est un ensemble de petits nœuds de capteurs dotés de capacités de détection, de calcul et de transmission. Les fonctions d’un nœud de capteur individuel étant limitées, notamment en matière de stockage d’énergie et de données, il est nécessaire de mettre au point une topologie de réseau et un protocole de routage adaptés. Cet article se concentre sur le réseau de capteurs sans fil ZigBee, basé sur la norme IEEE 802.15.4, et propose une topologie de regroupement efficace, appelée MSCT, fondée sur l’arbre couvrant minimal (MST). L’objectif final est de construire une topologie de réseau présentant un coût minimal. La topologie présentée dans cet article tient également compte des environnements intérieurs : elle propose des métriques permettant de gérer les pertes de trajet et l’atténuation du signal causées par les murs et les obstacles, et calcule les poids des liaisons entre les nœuds. Enfin, la topologie MSCT proposée dans cet article s’avère plus avantageuse que la topologie Cluster-Tree en termes de perte d’énergie et de durée de vie du réseau.
Chacune des trois structures de réseau Zigbee présente ses propres avantages. Le réseau Zigbee comporte actuellement trois architectures : en étoile, en arbre et en maillage. Vous pouvez choisir la structure de réseau Zigbee la plus adaptée en fonction des besoins concrets de votre projet.
1. Topologie en étoile
Il s'agit de la forme la plus simple de topologie. Elle comprend un nœud coordinateur et une série de nœuds terminaux. Chaque nœud terminal ne peut communiquer qu'avec le nœud coordinateur. Si une communication est nécessaire entre deux nœuds terminaux, les informations doivent être acheminées via le nœud coordinateur.
2. Topologie en arbre
La topologie en arbre comprend un coordinateur et une série de nœuds « routeurs » et « terminaux ». Le coordinateur relie une série de routeurs et de terminaux, et ses routeurs, qui sont des sous-nœuds, peuvent eux-mêmes relier une série de routeurs et de terminaux. Ce schéma peut se répéter sur plusieurs niveaux. La structure de la topologie en arbre est illustrée dans la figure ci-dessous :
Il faut savoir que :
Les nœuds « coordinateur » et « routeur » peuvent contenir leurs propres nœuds enfants.
Un nœud terminal ne peut pas avoir de nœuds enfants.
Les nœuds ayant le même nœud parent sont appelés nœuds frères.
Les nœuds ayant le même nœud grand-parent sont appelés « nœuds cousins ».
Règles de communication dans une topologie en arbre :
Chaque nœud ne peut communiquer qu'avec son nœud parent et ses nœuds enfants.
Si des données doivent être transmises d'un nœud à un autre, l'information remonte le long de l'arborescence jusqu'au nœud ancêtre le plus proche, puis redescend jusqu'au nœud de destination.
L'inconvénient de cette topologie est qu'il n'existe qu'un seul canal de routage pour les informations. De plus, le routage des informations est géré par la couche de la pile de protocoles, et l'ensemble du processus de routage est totalement transparent pour la couche application.
La structure du réseau diffère de la structure “ Cluster-Tree ” décrite précédemment. Elle repose sur l’arbre couvrant minimal. Supposons que le graphe G = (V, E) représente la topologie d’un réseau de capteurs statique, où V désigne un nœud capteur et E le poids de la liaison entre deux nœuds connectés. Théoriquement, le poids d’une liaison dans un réseau de capteurs correspond à la distance euclidienne entre deux nœuds, mais comme expliqué dans la section précédente, il faut tenir compte des pertes de trajet et de l’atténuation du signal dues aux obstacles présents dans un environnement intérieur. Les poids sont triés à l’aide de l’algorithme basé sur « Kruskal » [6-7] (algorithme 1, présenté ci-dessous). Selon cet algorithme, il est possible d’obtenir la topologie présentant le coût de transmission de communication minimal.
3. Topologie maillée
La topologie en maillage comprend un coordinateur et une série de routeurs et de terminaux. Ce type de topologie de réseau est identique à une topologie en arbre ; veuillez vous reporter à la topologie de réseau en arbre mentionnée ci-dessus. Cependant, la topologie en maillage présente des règles de routage des informations plus souples, et les nœuds de routage peuvent communiquer directement entre eux lorsque cela est possible. Ce mécanisme de routage rend la communication des informations plus efficace et permet, en cas de problème sur un chemin de routage, de transmettre automatiquement les informations via d’autres chemins de routage. Un schéma illustrant une topologie en maillage est présenté ci-dessous :
En règle générale, lors de la mise en œuvre d'un réseau maillé, la couche réseau fournit une fonction de recherche d'itinéraire correspondante. Cette fonctionnalité permet à la couche réseau de trouver le chemin optimal pour la transmission des informations. Il convient de noter que les fonctionnalités susmentionnées sont toutes mises en œuvre par la couche réseau et que la couche application n'a pas besoin d'intervenir.
La topologie de réseau maillé MESH offre des fonctionnalités puissantes. Le réseau peut communiquer via des “ sauts à plusieurs niveaux ” ; cette topologie permet également de former un réseau extrêmement complexe ; le réseau dispose en outre de fonctions d'auto-organisation et d'auto-réparation ;
Avec le développement rapide des réseaux de capteurs sans fil, la technologie sans fil est largement utilisée dans les stations de base qui transmettent des données de topographie et de cartographie [1]. Les réseaux de capteurs sans fil nécessitent un déploiement à grande échelle dans les applications pratiques. Une fois le déploiement achevé, il est relativement difficile de le modifier. C'est pourquoi il est nécessaire d'utiliser efficacement les ressources limitées de chaque nœud du réseau. Les capteurs sans fil trouvent de nombreux domaines d'application, tels que la surveillance de la température et de l'humidité, la domotique, la surveillance des opérations de secours, etc. La plupart de ces applications nécessitent une transmission sans fil à grande échelle et doivent s'appuyer sur des normes telles que la norme IEEE 802.11b. Des études pertinentes ont montré que les normes sans fil traditionnelles telles que Bluetooth et WLAN [2] ne sont plus adaptées aux applications de domotique et aux scénarios de détection industrielle en intérieur. La norme IEEE 802.15.4 est généralement choisie pour ce type d’application. Cet article se concentre sur l’étude de la topologie de regroupement efficace MSCT, basée sur l’arbre couvrant minimal (MST), dans des conditions d’interférences dues aux murs en intérieur. 1 Topologie de réseau Cluster-Tree Cluster-Tree est une topologie de réseau basée sur la norme IEEE 802.15.4. Dans les réseaux de capteurs sans fil, la consommation d’énergie est un aspect important qui doit être pris en compte. Cet article étudiera tout d’abord l’efficacité de la topologie de réseau Cluster-Tree en termes de consommation d’énergie [3]. La topologie de réseau Cluster-Tree est divisée en deux relations hiérarchiques, parent et enfant, comme le montre la figure 1. Dans cette topologie, chaque nœud de cluster communique via le nœud de tête de ce niveau, et le nœud de tête de chaque couche est contrôlé par le coordinateur PAN [4]. La topologie est construite à l’aide de requêtes d’association et de réponses d’association. Afin d’obtenir le meilleur effet de contrôle possible pour le réseau de type ZigBee, le nombre et la profondeur d’extension des nœuds enfants de chaque nœud parent doivent se situer dans une certaine plage. La profondeur désigne ici la distance entre le coordinateur PAN et le nœud. Par exemple : le nœud du coordinateur PAN est considéré comme le niveau 0, et le nœud enfant du coordinateur PAN est considéré comme le niveau 1
Mots clés : terminal de transmission de données
