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2015

Ingénieur de l'École Nationale de l'Aviation Civile

Marie-Caroline-DEUX-

IENAC-12L-

Mémoire de fin d'études
06 juillet 2015

Étude de la stabilité des tables de voisinage dans un
réseau de capteurs sans fil

La-référence-aéronaut ique

Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier M. Michel MISSON, vice-directeur du LIMOS,
qui a accepté que je rejoigne l’équipe Réseaux et Protocoles pour la durée de mon
stage. Je le remercie également, ainsi que Mlle Nancy RACHKIDY pour leur encadrement durant ces cinq mois, ainsi que pour l’aide qu’ils m’ont apportée et leurs
conseils avisés. Je leur adresse également ma profonde gratitude pour leur relecture
précise de ce rapport.
Je remercie toute l’équipe Réseaux et Protocoles du LIMOS pour leur accueil
chaleureux, pour leur bonne humeur quotidienne et pour les conseils qu’ils m’ont
dispensés. Une pensée particulière pour Mlle Thérèse ABY et M. Xavier BULTEL
pour leur convivialité, ainsi que pour M. Alexandre GUITTON pour son aide précieuse sur la programmation des TelosB.
Je tiens aussi à remercier M. Alain PIROVANO qui m’a fait connaître cette
équipe de recherche du LIMOS et sans qui je n’aurais certainement pas trouvé ce
stage.
J’adresse également mes remerciements à M. Fabien GARCIA qui a encadré mon
travail depuis l’ENAC.
J’exprime ma gratitude à toute l’équipe pédagogique de l’ENAC pour les connaissances et les conseils qu’ils m’ont apportés durant ces trois années de formation.
Enfin, je remercie ma famille, mes amis, et tous ceux qui m’ont accompagnée et
soutenue durant toutes mes années études.

3

Résumé
Ce projet de fin d’études, effectué au sein de l’équipe Réseaux et Protocoles du
laboratoire de recherche CNRS le LIMOS, a pour objectif d’observer le comportement de la table de voisinage de chaque nœud lors des échanges de données dans un
réseau de capteurs.
Le choix d’analyser la stabilité des tables de voisinage en fonction de la qualité
des liens entre chaque nœud, a été décidé lors de ce stage. Cette qualité de lien
est caractérisée par des métriques pertinentes. Nous citons le RSSI (Received Signal
Strength Indicator), le LQI (Link Quality Indicator) et le PER (Packet Error Ratio).
Après avoir pris en main un nouveau système d’exploitation (TinyOS), ainsi
qu’un nouveau langage de programmation (nesC), des mesures ont été réalisées sur
le terrain. Tout d’abord, il est primordial de connaître l’évolution de la qualité des
liens en fonction de la distance entre les nœuds, que ce soit dans un milieu intérieur
ou extérieur. Ensuite, les métriques citées dépendants de nombreux paramètres, des
campagnes de mesures ont été réalisées afin d’observer le comportement de la table
de voisinage, en termes de qualité de liens, dans différentes conditions. De ce fait,
il a été possible d’analyser notamment l’impact du jour et de la nuit (humidité et
température) sur les échanges entre les nœuds.
Ce travail sera utile à toute l’équipe Réseaux et Protocoles du LIMOS, et permettra de router les paquets selon le meilleur chemin disponible, en termes de qualité
de lien, vers un puits collecteur de données, ou de simuler au mieux la découverte de
voisinage et la mise à jour des tables de voisinage sur un simulateur NS2 par exemple.

mots clés : réseau de capteurs sans fil, RSSI, LQI, PER, qualité de lien, stabilité,
table de voisinage, nœud, TelosB, nesC, TinyOS

5

Abstract
This end of studies project, done within the Networks and Protocols’ team from
the research laboratory LIMOS, has the goal to observe the behavior of the nodes’
neighbors table during the exchanges in a sensor network.
Analyze the nodes’ neighbors tables according to the link quality was a choice
in this internship. This link quality is characterized by metrics. We have RSSI (Received Signal Strength Indicator), LQI (Link Quality Indicator) and PER (Packet
Error Ratio).
In a first step, it was important to understand a new operating system (TinyOS)
and a new programming language (nesC). Then, measures were realized. First, it’s
primordial to know the link quality’s evolution with the distance between nodes, in
indoor and in outdoor. Next, the previous metrics are dependent on many parameters, so, there were sets of measures in different conditions to observe the behavior
of the neighbors tables according to the link quality. Consequently, it was especially
possible to analyze the day/night’s impact on the exchanges between nodes.
This work will be very useful for the Networks and Protocols’ team and this will
allow to rout packets using the best way, according to the link quality, to a sink,
which will collect data. It could also be possible to simulate the neighborhood discovery and the updating of the neighbors tables using a NS2 simulator for instance.

keywords : wireless seniors network, RSSI, LQI, PER, link quality, stability, tneighbors table, node, TelosB, nesC, TinyOS

7

Table des matières
Introduction

23

1 Contexte de stage
1.1 Le LIMOS (Laboratoire d’Informatique, de Modélisation
misation des Systèmes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 L’équipe Réseaux et Protocoles du LIMOS . . . . . . . .
1.3 Problématique du stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

2 Les
2.1
2.2
2.3
2.4

réseaux de capteurs
Qu’est-ce qu’un réseau de capteurs ? .
Différentes contraintes . . . . . . . .
Applications des réseaux de capteurs
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . .

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3 Estimation de la qualité d’un lien
3.1 RSSI : Received Signal Strength Indicator
3.2 LQI : Link Quality Indicator . . . . . . . .
3.3 PER : Packet Error Ratio . . . . . . . . .
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 La technologie utilisée
4.1 Architecture des nœuds TelosB . . . .
4.2 Système d’exploitation : TinyOS . . . .
4.2.1 Pourquoi utiliser un nouvel OS ?
4.2.2 Le langage NesC . . . . . . . .

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5 Mesures de la qualité de liens entre deux nœuds
5.1 Contexte de l’expérience . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Le code nesC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 L’émission . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 La réception . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.3 L’effacement de la mémoire des TelosB . .
5.3 Mesure de la portée en milieu indoor . . . . . . .
5.4 Exploitation des données . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1 Programme de conversion . . . . . . . . .

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et d’Opti. . . . . . . 25
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45

TABLE DES MATIÈRES
5.4.2

Evolution de la qualité de liens en fonction de la distance entre
les nœuds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5 Les différents modèles de propagation des ondes . . . . . . . . . . .
5.5.1 La réflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.2 La diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.3 La diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.4 L’absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6 Le phénomène de multi-trajet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 Découverte de voisinage pour trois nœuds
6.1 Contexte de l’expérience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Format de la table de voisinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3 Format des messages HELLO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4 Un exemple de découverte de voisinage . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5 Le code nesC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.1 Envoi et réception des messages HELLO . . . . . . . . . . .
6.5.2 La lecture mémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.3 L’effacement de la mémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6 Exploitation des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6.1 Programme de conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6.2 Portée maximale en environnement extérieur . . . . . . . . .
6.6.3 Evolution de la qualité de lien en fonction de la distance entre
les nœuds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 Evolution de la qualité des liens
7.1 Etude de la symétrie des liens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.1 Etude de la symétrie des liens en indoor . . . . . . . . . . .
7.1.2 Etude de la symétrie des liens en outdoor . . . . . . . . . . .
7.1.3 Etude de la symétrie au niveau des pertes de liens . . . . . .
7.2 Calcul de l’atténuation du signal en fonction de la distance . . . . .
7.2.1 Log-distance Path Loss Model . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.2 Détermination du coefficient d’atténuation à l’aide d’une méthode de fitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3 Calcul du taux de pertes pour les mesures réalisées en extérieur avec
une topologie linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4 Distance minimale pour une variation perceptible du RSSI . . . . .
7.5 Etude du comportement de la table de voisinage avec trois nœuds à
distance fixe pendant 24h en outdoor . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6 Influence des précipitations sur la table de voisinage . . . . . . . . .
7.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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83
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. 98
. 100
. 103
. 109
. 113

Conclusion

115

Acronymes utilisés

117
10

TABLE DES MATIÈRES
Bibliographie

119

ANNEXES

121

A RSSI et LQI pour un réseau de trois nœuds en indoor avec une
topologie en triangle
125
B RSSI et LQI pour un réseau de trois nœuds en indoor avec une
topologie linéaire
138
C RSSI et LQI pour un réseau de trois nœuds en outdoor avec une
topologie en triangle
151
D RSSI et LQI pour un réseau de trois nœuds en outdoor avec une
topologie linéaire
164
E Code nesC de la mise à jour de la table de voisinage pour trois
nœuds
177
F Code nesC de la lecture mémoire des TelosB

188

G Programme de conversion des données mémoires en format décimal192
H Code nesC de l’effacement mémoire

198

I

200

Définition des structures

11

Table des figures
1.1

Logo du LIMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1

Architecture des réseaux de capteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8

Nœud TelosB . . . . . . . . . . . . . . .
Architecture des TelosB [15] . . . . . . .
TelosB . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Modèle OSI [16] . . . . . . . . . . . . . .
Déclaration des composants . . . . . . .
Liaison des composants et des interfaces
Déclaration des interfaces . . . . . . . .
Corps du code . . . . . . . . . . . . . . .

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39
40

5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
5.11
5.12
5.13
5.14

Format des messages inscrits en mémoire du TelosB . . . . . . . . .
Emission des messages par le nœud source . . . . . . . . . . . . . .
Traitement des messages par le nœud récepteur . . . . . . . . . . .
Format des messages récupérés de la mémoire . . . . . . . . . . . .
Scénario 1 : tracé du RSSI en fonction du numéro de paquet reçu .
Scénario 1 : tracé du LQI en fonction du numéro de paquet reçu . .
Scénario 1 : paquets perdus et calcul du PER . . . . . . . . . . . .
Scénario 2 : tracé du RSSI en fonction du numéro de paquet reçu .
Scénario 2 : tracé du LQI en fonction du numéro de paquet reçu . .
Scénario 2 : une partie des paquets perdus et calcul du PER . . . .
Réflexion d’une onde au contact d’un obstacle . . . . . . . . . . . .
Diffraction d’une onde au contact d’un obstacle . . . . . . . . . . .
Diffusion d’une onde au contact d’un obstacle . . . . . . . . . . . .
Absorption totale (gauche) et partielle (droite) d’une onde par un
obstacle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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52
53
53

Topologie linéaire du réseau de capteurs . . . . . . . .
Topologie en triangle du réseau de capteurs . . . . . .
Format de la table de voisinage du nœud i . . . . . . .
Format des messages HELLO envoyés par le nœud i . .
Découverte de voisinage dans un réseau de trois nœuds
Fonctionnement des nœuds . . . . . . . . . . . . . . . .
Lecture de la mémoire TelosB . . . . . . . . . . . . . .
Topologie en triangle du réseau de capteurs . . . . . .

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6.1
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6.8

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62
64

TABLE DES FIGURES
6.9
6.10
6.11
6.12
6.13
6.14
6.15
6.16
6.17
6.18
6.19
6.20
6.21
6.22
6.23
6.24
6.25
6.26
6.27
6.28
6.29
6.30
6.31
6.32
6.33
6.34
6.35
7.1

RSSI du lien entre les nœuds 1 et 2 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LQI du lien entre les nœuds 1 et 2 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
RSSI du lien entre les nœuds 1 et 3 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LQI du lien entre les nœuds 1 et 3 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
RSSI du lien entre les nœuds 2 et 3 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LQI du lien entre les nœuds 2 et 3 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Topologie linéaire du réseau de capteurs . . . . . . . . . . . . . . . .
Photo du dispositif déployé dans un couloir . . . . . . . . . . . . . . .
RSSI du lien entre les nœuds 1 et 2 en indoor avec une topologie linéaire
LQI du lien entre les nœuds 1 et 2 en indoor avec une topologie linéaire
RSSI du lien entre les nœuds 1 et 3 en indoor avec une topologie linéaire
LQI du lien entre les nœuds 1 et 3 en indoor avec une topologie linéaire
RSSI du lien entre les nœuds 2 et 3 en indoor avec une topologie linéaire
LQI du lien entre les nœuds 2 et 3 en indoor avec une topologie linéaire
RSSI du lien entre les nœuds 1 et 2 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LQI du lien entre les nœuds 1 et 2 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
RSSI du lien entre les nœuds 1 et 3 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LQI du lien entre les nœuds 1 et 3 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
RSSI du lien entre les nœuds 2 et 3 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LQI du lien entre les nœuds 2 et 3 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Photo du dispositif déployé dans un environnement extérieur en travaux
RSSI du lien entre les nœuds 1 et 2 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LQI du lien entre les nœuds 1 et 2 en outdoor avec une topologie linéaire
RSSI du lien entre les nœuds 1 et 3 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LQI du lien entre les nœuds 1 et 3 en outdoor avec une topologie linéaire
RSSI du lien entre les nœuds 2 et 3 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LQI du lien entre les nœuds 2 et 3 en outdoor avec une topologie linéaire

65
65
66
66
67
67
68
68
69
69
70
71
71
72
73
74
74
75
75
76
77
77
78
78
79
79
80

RSSI moyennés entre les nœuds 1 et 2 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
14

TABLE DES FIGURES
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
7.10
7.11
7.12
7.13
7.14
7.15
7.16
7.17
7.18
7.19
7.20
7.21
7.22
7.23
7.24
7.25

RSSI moyennés entre les nœuds 1 et 3 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
RSSI moyennés entre les nœuds 2 et 1 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
RSSI moyennés entre les nœuds 2 et 3 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
RSSI moyennés entre les nœuds 3 et 1 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
RSSI moyennés entre les nœuds 3 et 2 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
RSSI moyennés entre les nœuds 1 et 2 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
RSSI moyennés entre les nœuds 1 et 3 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
RSSI moyennés entre les nœuds 2 et 1 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
RSSI moyennés entre les nœuds 2 et 3 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
RSSI moyennés entre les nœuds 3 et 1 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
RSSI moyennés entre les nœuds 3 et 2 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
RSSI moyennés entre les nœuds 1 et 2 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
RSSI moyennés entre les nœuds 2 et 1 en fonction de la distance et
du point de vue du nœud 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Numéros de paquets reçus avant une perte du point de vue du nœud 1 94
Numéros de paquets reçus avant une perte du point de vue du nœud 2 95
PER en fonction de la distance calculé à partir des données enregistrées en mémoire du nœud 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
PER en fonction de la distance calculé à partir des données enregistrées en mémoire du nœud 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
PER en fonction de la distance calculé à partir des données enregistrées en mémoire du nœud 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Photo du dispositif utilisé dans la détermination de la distance minimale en indoor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
RSSI lors du déplacement du nœud récepteur de 5 centimètres . . . . 101
Photo du dispositif en outdoor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
RSSI lors du déplacement du nœud récepteur de 5 centimètres . . . . 102
RSSI moyennés entre les nœuds 1 et 2 sur une période de 24 heures
avec une topologie triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
RSSI moyennés entre les nœuds 1 et 3 sur une période de 24 heures
avec une topologie triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

15

TABLE DES FIGURES
7.26 RSSI moyennés entre les nœuds 2
avec une topologie triangle . . . .
7.27 RSSI moyennés entre les nœuds 2
avec une topologie triangle . . . .
7.28 RSSI moyennés entre les nœuds 3
avec une topologie triangle . . . .
7.29 RSSI moyennés entre les nœuds 3
avec une topologie triangle . . . .
7.30 RSSI moyennés entre les nœuds 1
avec une topologie linéaire . . . .
7.31 RSSI moyennés entre les nœuds 1
avec une topologie linéaire . . . .
7.32 RSSI moyennés entre les nœuds 2
avec une topologie linéaire . . . .
7.33 RSSI moyennés entre les nœuds 2
avec une topologie linéaire . . . .
7.34 RSSI moyennés entre les nœuds 3
avec une topologie linéaire . . . .
7.35 RSSI moyennés entre les nœuds 3
avec une topologie linéaire . . . .
7.36 RSSI moyennés entre les nœuds 1
avec une topologie en triangle . .
7.37 RSSI moyennés entre les nœuds 1
avec une topologie en triangle . .
7.38 RSSI moyennés entre les nœuds 2
avec une topologie en triangle . .
7.39 RSSI moyennés entre les nœuds 2
avec une topologie en triangle . .
7.40 RSSI moyennés entre les nœuds 3
avec une topologie en triangle . .
7.41 RSSI moyennés entre les nœuds 3
avec une topologie en triangle . .

et 1 sur une
. . . . . . .
et 3 sur une
. . . . . . .
et 1 sur une
. . . . . . .
et 2 sur une
. . . . . . .
et 2 sur une
. . . . . . .
et 3 sur une
. . . . . . .
et 1 sur une
. . . . . . .
et 3 sur une
. . . . . . .
et 1 sur une
. . . . . . .
et 2 sur une
. . . . . . .
et 2 sur une
. . . . . . .
et 3 sur une
. . . . . . .
et 1 sur une
. . . . . . .
et 3 sur une
. . . . . . .
et 1 sur une
. . . . . . .
et 2 sur une
. . . . . . .

période de 24
. . . . . . . .
période de 24
. . . . . . . .
période de 24
. . . . . . . .
période de 24
. . . . . . . .
période de 24
. . . . . . . .
période de 24
. . . . . . . .
période de 24
. . . . . . . .
période de 24
. . . . . . . .
période de 24
. . . . . . . .
période de 24
. . . . . . . .
période de 10
. . . . . . . .
période de 10
. . . . . . . .
période de 10
. . . . . . . .
période de 10
. . . . . . . .
période de 10
. . . . . . . .
période de 10
. . . . . . . .

heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .
heures
. . . .

A.1 RSSI du lien entre les nœuds 1 et 2 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2 LQI du lien entre les nœuds 1 et 2 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3 RSSI du lien entre les nœuds 2 et 1 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.4 LQI du lien entre les nœuds 2 et 1 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.5 RSSI du lien entre les nœuds 1 et 3 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.6 LQI du lien entre les nœuds 1 et 3 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16

. 104
. 105
. 105
. 106
. 107
. 107
. 108
. 108
. 109
. 109
. 110
. 110
. 111
. 111
. 112
. 112
. 125
. 126
. 126
. 127
. 127
. 128

TABLE DES FIGURES
A.7 RSSI du lien entre les nœuds 3 et 1 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.8 LQI du lien entre les nœuds 3 et 1 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.9 RSSI du lien entre les nœuds 2 et 1 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.10 LQI du lien entre les nœuds 2 et 1 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.11 RSSI du lien entre les nœuds 1 et 2 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.12 LQI du lien entre les nœuds 1 et 2 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.13 RSSI du lien entre les nœuds 2 et 3 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.14 LQI du lien entre les nœuds 2 et 3 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.15 RSSI du lien entre les nœuds 3 et 2 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.16 LQI du lien entre les nœuds 3 et 2 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.17 RSSI du lien entre les nœuds 3 et 1 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.18 LQI du lien entre les nœuds 3 et 1 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.19 RSSI du lien entre les nœuds 1 et 3 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.20 LQI du lien entre les nœuds 1 et 3 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.21 RSSI du lien entre les nœuds 3 et 2 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.22 LQI du lien entre les nœuds 3 et 2 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.23 RSSI du lien entre les nœuds 2 et 3 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.24 LQI du lien entre les nœuds 2 et 3 en indoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.1
B.2
B.3
B.4
B.5
B.6
B.7
B.8

. 128
. 129
. 129
. 130
. 130
. 131
. 131
. 132
. 132
. 133
. 133
. 134
. 134
. 135
. 135
. 136
. 136
. 137

RSSI du lien entre les nœuds 1 et 2 en indoor avec une topologie linéaire138
LQI du lien entre les nœuds 1 et 2 en indoor avec une topologie linéaire139
RSSI du lien entre les nœuds 2 et 1 en indoor avec une topologie linéaire139
LQI du lien entre les nœuds 2 et 1 en indoor avec une topologie linéaire140
RSSI du lien entre les nœuds 1 et 3 en indoor avec une topologie linéaire140
LQI du lien entre les nœuds 1 et 3 en indoor avec une topologie linéaire141
RSSI du lien entre les nœuds 3 et 1 en indoor avec une topologie linéaire141
LQI du lien entre les nœuds 3 et 1 en indoor avec une topologie linéaire142
17

TABLE DES FIGURES
B.9
B.10
B.11
B.12
B.13
B.14
B.15
B.16
B.17
B.18
B.19
B.20
B.21
B.22
B.23
B.24

RSSI du lien entre les nœuds 2 et 1 en indoor avec une topologie linéaire142
LQI du lien entre les nœuds 2 et 1 en indoor avec une topologie linéaire143
RSSI du lien entre les nœuds 1 et 2 en indoor avec une topologie linéaire143
LQI du lien entre les nœuds 1 et 2 en indoor avec une topologie linéaire144
RSSI du lien entre les nœuds 2 et 3 en indoor avec une topologie linéaire144
LQI du lien entre les nœuds 2 et 3 en indoor avec une topologie linéaire145
RSSI du lien entre les nœuds 3 et 2 en indoor avec une topologie linéaire145
LQI du lien entre les nœuds 3 et 2 en indoor avec une topologie linéaire146
RSSI du lien entre les nœuds 3 et 1 en indoor avec une topologie linéaire146
LQI du lien entre les nœuds 3 et 1 en indoor avec une topologie linéaire147
RSSI du lien entre les nœuds 1 et 3 en indoor avec une topologie linéaire147
LQI du lien entre les nœuds 1 et 3 en indoor avec une topologie linéaire148
RSSI du lien entre les nœuds 3 et 2 en indoor avec une topologie linéaire148
LQI du lien entre les nœuds 3 et 2 en indoor avec une topologie linéaire149
RSSI du lien entre les nœuds 2 et 3 en indoor avec une topologie linéaire149
LQI du lien entre les nœuds 2 et 3 en indoor avec une topologie linéaire150

C.1 RSSI du lien entre les nœuds 1 et 2 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.2 LQI du lien entre les nœuds 1 et 2 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.3 RSSI du lien entre les nœuds 2 et 1 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.4 LQI du lien entre les nœuds 2 et 1 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.5 RSSI du lien entre les nœuds 1 et 3 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.6 LQI du lien entre les nœuds 1 et 3 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.7 RSSI du lien entre les nœuds 3 et 1 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.8 LQI du lien entre les nœuds 3 et 1 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.9 RSSI du lien entre les nœuds 2 et 1 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.10 LQI du lien entre les nœuds 2 et 1 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.11 RSSI du lien entre les nœuds 1 et 2 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.12 LQI du lien entre les nœuds 1 et 2 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.13 RSSI du lien entre les nœuds 2 et 3 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.14 LQI du lien entre les nœuds 2 et 3 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18

. 151
. 152
. 152
. 153
. 153
. 154
. 154
. 155
. 155
. 156
. 156
. 157
. 157
. 158

TABLE DES FIGURES
C.15 RSSI du lien entre les nœuds 3 et 2 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.16 LQI du lien entre les nœuds 3 et 2 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.17 RSSI du lien entre les nœuds 3 et 1 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.18 LQI du lien entre les nœuds 3 et 1 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.19 RSSI du lien entre les nœuds 1 et 3 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.20 LQI du lien entre les nœuds 1 et 3 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.21 RSSI du lien entre les nœuds 3 et 2 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.22 LQI du lien entre les nœuds 3 et 2 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.23 RSSI du lien entre les nœuds 2 et 3 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.24 LQI du lien entre les nœuds 2 et 3 en outdoor avec une topologie en
triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 158
. 159
. 159
. 160
. 160
. 161
. 161
. 162
. 162
. 163

D.1 RSSI du lien entre les nœuds 2 et 1 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
D.2 LQI du lien entre les nœuds 2 et 1 en outdoorr avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
D.3 RSSI du lien entre les nœuds 1 et 2 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
D.4 LQI du lien entre les nœuds 1 et 2 en outdoor avec une topologie linéaire166
D.5 RSSI du lien entre les nœuds 1 et 3 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
D.6 LQI du lien entre les nœuds 1 et 3 en outdoor avec une topologie linéaire167
D.7 RSSI du lien entre les nœuds 3 et 1 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
D.8 LQI du lien entre les nœuds 3 et 1 en outdoor avec une topologie linéaire168
D.9 RSSI du lien entre les nœuds 1 et 2 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
D.10 LQI du lien entre les nœuds 1 et 2 en outdoor avec une topologie linéaire169
D.11 RSSI du lien entre les nœuds 2 et 1 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
D.12 LQI du lien entre les nœuds 2 et 1 en outdoor avec une topologie linéaire170
D.13 RSSI du lien entre les nœuds 2 et 3 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
D.14 LQI du lien entre les nœuds 2 et 3 en outdoor avec une topologie linéaire171
D.15 RSSI du lien entre les nœuds 3 et 2 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
19

TABLE DES FIGURES
D.16 LQI du lien entre les nœuds 3 et 2 en outdoor avec une topologie linéaire172
D.17 RSSI du lien entre les nœuds 3 et 1 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
D.18 LQI du lien entre les nœuds 3 et 1 en outdoor avec une topologie linéaire173
D.19 RSSI du lien entre les nœuds 1 et 3 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
D.20 LQI du lien entre les nœuds 1 et 3 en outdoor avec une topologie linéaire174
D.21 RSSI du lien entre les nœuds 3 et 2 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
D.22 LQI du lien entre les nœuds 3 et 2 en outdoor avec une topologie linéaire175
D.23 RSSI du lien entre les nœuds 2 et 3 en outdoor avec une topologie
linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
D.24 LQI du lien entre les nœuds 2 et 3 en outdoor avec une topologie linéaire176

20

Introduction
Pour conclure ces trois années d’études au sein de l’Ecole Nationale de l’Aviation Civile (ENAC), j’ai rejoint l’équipe Réseaux et Protocoles du laboratoire de
recherche CNRS le LIMOS dans le cadre de mon projet de fin d’études.
Ce présent mémoire décrit le travail effectué durant les cinq mois de stage, au
cours desquels je devais observer le comportement des tables de voisinage, en termes
de qualité de liens, lors des échanges de données dans les réseaux de capteurs. Ce travail servira à toute l’équipe Réseaux et Protocoles dans le cadre de leurs recherches
futures, ce qui m’a apporté d’autant plus de motivation dans ma quête de résultats.
J’ai choisi, dans ce rapport, de montrer le cheminement que j’ai effectué au cours
de ces cinq mois. Après avoir présenté le contexte du stage, une étude purement
bibliographique, destinée à mieux connaître les réseaux de capteurs ainsi que les
métriques de qualité de liens, sera réalisée. Ensuite, il est primordial de présenter
et de prendre en main la technologie utilisée durant ce stage de fin d’études. Enfin,
toutes les mesures effectuées pour observer le comportement de la table de voisinage
de chaque nœud en termes de qualité de liens, seront présentées et analysées.

23

Chapitre 1

Contexte de stage
1.1

Le LIMOS (Laboratoire d’Informatique, de Modélisation et d’Optimisation des Systèmes)

Le LIMOS est un laboratoire de recherche créé en 1995. Il est lié à l’Université
Blaise Pascal (UBP) et à l’Université d’Auvergne (UdA). Sur le campus des Cézeaux
à Aubière, l’UBP regroupe deux Grandes Ecoles : l’Institut d’Informatique, de Modélisation et des Applications (ISIMA) et Polytech Clermont. L’IUT de ClermontFerrand, quant à lui, appartient à l’UdA. Pour des raisons administratives, ces deux
universités sont actuellement entrain de fusionner.
En 2000, le LIMOS fut associé au CNRS. [1]
Ses axes de recherches sont répartis en quatre thématiques [2] :
• Modèles et Algorithmes de l’Aide à la Décision (MAAD)
• Systèmes d’Information et de Communication (SIC)
• Systèmes de Production (SP)
• Recherche Opérationnelle pour le Génie Industriel (ROGI)
La quatrième, ROGI, a été créée récemment en raison d’un partenariat avec
l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne (ENSM.SE).

Figure 1.1 – Logo du LIMOS

25

1.2. L’ÉQUIPE RÉSEAUX ET PROTOCOLES DU LIMOS
Mon stage est lié au second axe : SIC. J’ai alors pu intégrer, dans le laboratoire
de Télécoms/Réseaux, l’équipe Réseaux et Protocoles.

1.2

L’équipe Réseaux et Protocoles du LIMOS

Actuellement, l’équipe est composée d’une dizaine de permanents (professeurs,
maîtres de conférence et doctorants)[3]. Ils travaillent sur les réseaux de capteurs.
Leurs recherches sont basées sur les trois thématiques suivantes :
• Déploiement d’un réseau de capteurs étendu et linéaire.
• Surveillance des sites environnementaux (volcan, lacs...).
• Surveillance des sites industriels.

1.3

Problématique du stage

Les réseaux de capteurs sans fil sont largement utilisés dans le cadre de la surveillance environnementale (surveillance de volcans, de lacs ...). Ce type de réseau
est constitué de capteurs, appelés nœuds et équipés de batteries. Les liens entre
ces derniers dépendent de l’environnement (météo, végétation, obstacles ...) et de la
stabilité des noeuds. Ces liens ne sont donc pas stables et leur qualité est amenée à
évoluer au cours du temps.
Le sujet de mon stage est donc d’étudier la stabilité de le table de voisinage
de chaque noeud. Cela sera profitable à toute l’équipe Réseaux et Protocoles du
LIMOS. En effet, cela facilitera la mise en place d’un protocole de routage selon
l’environnement dans lequel les capteurs seront déployés.

26

Chapitre 2

Les réseaux de capteurs
2.1

Qu’est-ce qu’un réseau de capteurs ?

Un réseau de capteurs sans fil, ou Wireless Sensors Network (WSN) en anglais,
est un réseau ad hoc, c’est-à-dire qu’il est "capable de s’organiser sans infrastructure définie préalablement." [4]. Il est composé d’un grand nombre de nœuds (des
dizaines, des centaines ... ) qui peuvent récolter et retransmettre des données environnementales, et ce de manière autonome. Le routage se fait par une succession de
sauts (on parle de routage multi-saut) vers un puits collecteur, le sink, qui pourra
transmettre les données à un cloud via internet ou une connexion sans fil, comme le
montre la figure 2.1.

Figure 2.1 – Architecture des réseaux de capteurs

27

2.2. DIFFÉRENTES CONTRAINTES

2.2

Différentes contraintes

Déployer un réseau de capteurs ne se fait pas sans contraintes. Les nœuds doivent,
tout d’abord, être capables de résister à des conditions plus ou moins rudes selon le
milieu de déploiement (eau, feu ...). En effet, le LIMOS, par exemple, travaille sur
différents projets, comme le déploiement de ces capteurs en milieu volcanique, ou
encore à la surface d’un lac. Aussi, peut-on imaginer que lorsque que notre réseau
est mis en place, il peut être très difficile, voire impossible d’avoir accès aux nœuds.
C’est dans ce contexte qu’il faut penser à leur autonomie en prévoyant l’économie
de batterie, par leur hibernation par exemple. Mais, par ailleurs, un facteur non négligeable, demeure leur prix. Les acheteurs rechercheront des nœuds capteurs avec
un bon ratio durée d’utilisation / coût. [5]

2.3

Applications des réseaux de capteurs

Les réseaux de capteurs sont de plus en plus utilisés et leurs applications se
multiplient et se diversifient grâce aux évolutions technologiques. Ainsi, leur taille
diminue, et leur coût moindre permet leur large diffusion. Nous pouvons citer ici
quelques applications [5] [6] :
• Applications militaires : Il est possible de déployer des capteurs derrière les
lignes ennemies par exemple, et d’acquérir, de ce fait, des informations de
mouvement des troupes adverses.
• Applications médicales : Il est possible d’implanter sous la peau de microcapteurs, capables de fournir des données sur l’intérieur du corps humain,
sans avoir recourt à aucune chirurgie.
• Applications environnementales : La surveillance de sites volcaniques, de forêts afin d’alerter rapidement les secours en cas d’incendie, de mers et d’océans
pour prévenir des risques de tsunamis ... De telles applications sont nombreuses
et variées et peuvent permettre de sauver de nombreuses vies humaines ou animales.
• Surveillance d’édifices : On peut contrôler les différentes forces qui s’exercent
sur de gros édifices, comme la pression de l’eau sur un barrage, les tensions
sur un pont ...
• Agriculture : L’analyse des sols (humidité ...) pourra améliorer la qualité des
récoltes.
28

2.4. CONCLUSION

2.4

Conclusion

Les réseaux de capteurs sont de plus en plus déployés dans des applications très
variées, ce qui peut permettre de sauver de nombreuses vies ou plus simplement de
faciliter l’existence des utilisateurs. Leur enjeu est donc capital. Mais de nombreuses
contraintes sont à prendre en compte. Il faut donc penser des nœuds capables de
réaliser ces dernières. Parmi les nœuds capteurs les plus répandus, nous trouvons
les MicaZ ou les TelosB. Le LIMOS disposant déjà de ces seconds, c’est ceux-là que
j’ai choisis d’utiliser. Je les présenterai dans la suite. Mais avant, il est indispensable
d’expliquer quelles sont les métriques à prendre en compte lorsque l’on parle de qualité de lien. En effet, quand les différents nœuds d’un réseau de capteurs échangent
des données, cela ne se passe pas de la même façon avec tel ou tel voisin. Dans le
cadre de ce projet, il sera important de connaître la qualité de liens entre un nœud
et ses proches voisins, afin de se servir de cette dernière pour le routage des paquets.

29

Chapitre 3

Estimation de la qualité d’un lien
L’estimation de la qualité d’un lien se fait par l’évaluation de métriques. Nous
allons nous intéresser ici à trois estimateurs de qualité de lien (LQE : Link Quality
Estimators) dans les réseaux de capteurs sans fil : RSSI (Received Signal Strenght
Indicator), LQI (Link Quality Indicator) et PER (Packet Error Ratio). Les deux
premiers, s’appuyant sur une base hardware, et le troisième sur une base software,
sont utilisés dans le calcul de la mesure d’un lien côté récepteur afin de récupérer
l’information utile contenue dans les paquets et dans les acquittements reçus [7].

3.1

RSSI : Received Signal Strength Indicator

Cette métrique indique la puissance du signal reçu [8]. Cependant cette dernière
ne définit pas sa qualité. En effet, il est possible de recevoir un signal avec une forte
puissance, mais de mauvaise qualité. Mais, le plus souvent, si l’on reçoit un fort
signal, auquel un faible bruit est superposé, la qualité sera présente.
Le RSSI est une indication du niveau de puissance reçue par une antenne. Ainsi,
lorsqu’il prend une grande valeur, le signal reçu est plus puissant [9] et l’on se situe
dans la région dite connectée, c’est-à-dire que le lien est de très bonne qualité. A
l’inverse, lorsque sa valeur est très faible, l’on est dans la région non-connectée et la
qualité du lien est faible.
Pour résumer, cette métrique est une bonne indication de comment le capteur
perçoit le signal qui lui a été transmis [10].
Mathématiquement, l’on calcule la valeur du RSSI à l’aide de celle de la puissance
reçue et d’un offset que l’on détermine empiriquement (généralement -45dBm)[11].
P = RSSI_V AL + RSSI_OF F SET (dBm)

31

(3.1)

3.2. LQI : LINK QUALITY INDICATOR
où :
• P est la valeur de la puissance reçue
• RSSI_VAL représente la valeur mesurée du RSSI
• RSSI_OFFSET la valeur de l’offset

3.2

LQI : Link Quality Indicator

Cette seconde métrique, définie dans la norme IEEE 802.15.4 [11], permet de
faire une comparaison entre le signal effectivement reçu et celui qui aurait pu être
idéalement reçu (i.e. sans bruit par exemple), donc ainsi de mesurer la solidité et/ou
la qualité d’un signal reçu. Dans le cas de cet indicateur, un signal de meilleure qualité équivaut à un fort LQI, car la qualité du lien est meilleure [7]. Une radio ne
donne pas directement sa valeur, mais on l’obtient par un éventail de mesures, utilisées par le microcontrolleur [12].
LQI peut rapidement déterminer les liens de bonne qualité, mais peine à classer
ceux de qualité moyenne. En effet, cet indicateur a, dans cette région intermédiaire,
une très forte variation due au fait qu’il soit une variable statistique. Il est cependant
possible de moyenner les valeurs à travers une fenêtre glissante afin de "lisser" ces
variations et de donner une signification aux résultats. A l’inverse, ces dernières sont
très faibles, voire inexistantes, dans la région connectée, ce qui permet de trouver
une valeur du LQI et donc d’obtenir une qualité de lien précise.
Lorsque le lien est estimé de bonne qualité, le nœud est intégré à la table de
voisinage.
Le LQI doit avoir une valeur comprise entre 0 et 255. On peut le calculer à partir
du RSSI. Mais cette méthode présente un inconvénient : en effet, s’il y a une interférence bande étroite dans la bande passante du canal, cela peut conduire à une
augmentation du RSSI, et ainsi le LQI s’en trouvera faussé.
Cependant, l’une des manière de calculer le LQI est d’obtenir des valeurs de corrélation en moyennant les huit premiers symboles qui suivent le début d’une trame.
Lorsque ces valeurs de corrélation sont d’environ 110, cela signifie que la trame est
de qualité maximale. A l’inverse, lorsqu’elles se situent autour de 50, nous sommes
à la plus basse qualité de trame qu’il est possible de détecter par une radio. [12]
Pour obtenir une valeur de LQI, l’on ramène les valeurs de corrélation dans l’intervalle [0 ;255], à l’aide de constantes a et b trouvées empiriquement.[11]

LQI = (CORR − a).b

32

(3.2)

3.3. PER : PACKET ERROR RATIO
Ainsi, l’une des façons de trouver un LQI est de combiner le RSSI et les valeurs
de corrélation.

3.3

PER : Packet Error Ratio

Le PER est le taux de paquets perdus. Il s’appuie sur une base PRR (Packet
Reception Ratio). En effet, ces deux métriques sont liées par la relation suivante :
P ER = 1 − P RR

(3.3)

Ainsi, faut-il, pour avoir une meilleure qualité de lien, avoir un PER bas. On
estime que dans la région connectée, il sera inférieur à 10% et supérieur à 90% dans
la région non connectée. Les valeurs intermédiaires correspondent à la région de
transition. C’est dans cette dernière région que les liens seront les moins stables.
Nous pouvons cependant noter que cette métrique ne dépend pas de la distance
entre le récepteur et l’émetteur. En effet, des travaux ont montré que deux récepteurs, placés à égale distance d’une source, n’avaient pas forcément le même PER.
De la même façon, deux nœuds éloignés peuvent avoir un PER plus petit que deux
nœuds plus proches l’un de l’autre. [7]
On peut définir le PER comme étant le ratio du nombre de paquets impactés par
une erreur après correction par la FEC (Forward Error Correction) par le nombre
total de paquets reçus [13].

3.4

Conclusion

Selon l’environnement dans lequel les nœuds se trouvent, la qualité des liens
est plus ou moins affectée par des facteurs extérieurs et, de ce fait, on ne pourra
pas l’estimer d’une manière unique. En effet, les réflexions, la diffraction, etc ... par
exemple, provoqueront des variations dans ces métriques. Ainsi, le fait d’utiliser l’un
ou l’autre de ces estimateurs, voire même deux en complément, dépendra de ces paramètres. Ainsi, plus un environnement sera "propre", moins les variations de RSSI,
LQI et PER seront significatives.
Cependant, les deux premières métriques sont seulement mesurées à partir des
paquets reçus avec succès. Ainsi, s’il y a trop de pertes, la qualité du lien pourrait
être surestimée, car les pertes ne seraient pas prises en compte.
Dans les expériences présentées par la suite, le RSSI et le LQI seront mesurés
dans différentes conditions expérimentales. Toutes les mesures seront effectuées sur
des nœuds TelosB. Je vais présenter ces derniers, ainsi que le système d’exploitation
33

3.4. CONCLUSION
utilisé, dans le chapitre 4.

34

Chapitre 4

La technologie utilisée

Figure 4.1 – Nœud TelosB

4.1

Architecture des nœuds TelosB

Un nœud TelosB est composé principalement d’un processeur, d’une mémoire,
d’un module radio (CC2420) [11] pouvant faire, à tour de rôle, émetteur et récepteur, de capteurs (de température, de lumière, d’humidité) et d’une batterie (ici,
nous utiliserons des piles) [14].
Un TelosB est équipé de trois leds : une rouge, une verte et une bleue. Ces
dernières peuvent servir à montrer qu’un message a bien été envoyé ou reçu par
exemple. Je m’en servirai pour cela dans la suite.

35

4.1. ARCHITECTURE DES NŒUDS TELOSB

Figure 4.2 – Architecture des TelosB [15]

Figure 4.3 – TelosB
La communication entre les nœuds TelosB repose sur un protocole de niveau
MAC : BMAC. Pour rappel, la couche MAC appartient au niveau 2 (couche liaison
de données) du modèle OSI de l’ISO. Dans le cas de nos échanges, nous ne nous
appuierons que sur les deux couches les plus basses. Les ondes seront transmises à
travers un médium (l’air) dans la bande de fréquences des 2,4 GHz.

36

4.2. SYSTÈME D’EXPLOITATION : TINYOS

Figure 4.4 – Modèle OSI [16]

4.2

Système d’exploitation : TinyOS

TinyOS est un système d’exploitation open-source, le plus répandu dans les réseaux de capteurs. Cette plateforme a été développée et est améliorée par l’université
américaine de Berkeley. On trouvera sur internet le Wiki de TinyOS [17], qui aidera
les utilisateurs à installer le système et qui permettra à tous de s’initier au nouveau
langage de programmation propre à TinyOS, dérivé du langage C, le nesC.

4.2.1

Pourquoi utiliser un nouvel OS ?

Utiliser des nœuds capteurs présente des contraintes pour l’utilisateur. Ainsi,
l’utilisation d’OS existant n’est pas adaptée. Un nouveau système d’exploitation,
TinyOS, a été spécialement créé pour palier aux besoins des nœuds. Pour des raisons d’autonomie, l’on considère que ces derniers ne sont pas disponibles sans limite :
ils alternent des périodes d’éveil et des périodes d’hibernation afin d’économiser leur
batterie. Or, un OS classique est utilisé pour des ressources disponibles sans limite
et sans contrainte d’énergie. Aussi, se sert-on de ce dernier dans une architecture
multi-thread, dans le cas d’une mémoire importante. Cependant, nos nœuds capteurs, de petite taille, n’auront qu’une mémoire limitée.
Ainsi, ce nouvel OS permettra d’utiliser nos nœuds, de petite taille, limités dans
leur utilisation énergétique et qui ont une faible place mémoire. Quant au module

37

4.2. SYSTÈME D’EXPLOITATION : TINYOS
radio, il utilise une faible bande passante et l’antenne a une portée limitée (en théorie, 50 mètres en indoor et 125 mètres en outdoor). [5]

4.2.2

Le langage NesC

Ce nouveau langage est fortement inspiré du C, donc la manière de raisonner
est identique. Mais, il repose sur une architecture basée sur les composants (components en anglais), et de ce fait, permet de réduire la taille de la mémoire utilisée. Ces
composants sont de deux types : Module ou Configuration. Dans le premier, nous
définissons les composants implémentés, qui peuvent être des interfaces logicielles
représentants des entrées/sorties matérielles, ou un concept plus abstrait, comme un
Timer.
Dans le second, la configuration, les composants sont reliés ensembles de façon à
former un nouveau composant.
Mais le plus parlant serait de montrer un exemple de code en NesC. Ce dernier
est séparé en deux fichiers.nc. Un premier (FichierAppC.nc) qui permet de déclarer
les composants utilisés et de les relier aux interfaces, qui sont explicitées dans le
second fichier (FichierC.nc) avec le code de l’application.

Figure 4.5 – Déclaration des composants
L’on peut voir sur la figure 4.5 que l’on commence, comme en C, par déclarer les
fichiers que l’on souhaite attacher à FichierAppC.nc, à l’aide des "include".

38

4.2. SYSTÈME D’EXPLOITATION : TINYOS
Dans l’implémentation, je déclare tous les composants dont j’ai besoin dans mon
code. Par exemple, ici, j’ai besoin notamment d’envoyer et de recevoir des messages.
J’utilise aussi, par exemple, des Timers, les boutons et les leds des TelosB.

Figure 4.6 – Liaison des composants et des interfaces
Sur la figure 4.6, les interfaces, que nous verrons prochainement dans FichierC.nc,
sont liées aux composants précédemment déclarés.
Les deux figures suivantes représentent le code du FichierC.nc.

Figure 4.7 – Déclaration des interfaces
39

4.2. SYSTÈME D’EXPLOITATION : TINYOS

Figure 4.8 – Corps du code
C’est toujours dans ce FichierC.nc et dans la partie implémentation que nous
allons écrire le code souhaité. Ce dernier est très semblable à ce que nous ferions en
C.

Une fois ce nouveau langage de programmation présenté, il faut le prendre en
main. Pour cela le plus simple sera de programmer deux nœuds et de mesurer la
qualité du lien durant leurs échanges. Dans les réseaux de capteurs qui nous intéressent, nous considérons que les nœuds sont fixes, mais il est important de connaître
la qualité de liens selon la distance entre eux. C’est pour cela, que dans un premier
temps, nous allons nous intéresser à la mesure du RSSI et du LQI en faisant varier
la distance entre les nœuds.

40

Chapitre 5

Mesures de la qualité de liens entre deux
nœuds
Dans un premier temps, afin de bien appréhender le nouveau langage de programmation, le nesC, et afin d’observer le comportement du RSSI et du LQI en fonction
de la distance entre les deux nœuds, j’ai commencé par créer un programme simple
permettant l’envoi de messages par un nœud source et leur réception par le second
nœud.

5.1

Contexte de l’expérience

Deux nœuds capteurs sont utilisés ici : un émetteur et un récepteur. Le nœud
source envoie un paquet par seconde. Pour une meilleure visibilité de cet événement,
on choisira de faire clignoter la led rouge de ce nœud pour signaler l’émission d’un
paquet. Le second nœud, s’il est à portée, reçoit le message envoyé par le premier.
Il va ensuite l’enregistrer dans sa mémoire. Afin de vérifier l’écriture dans cette dernière, la led bleue du nœud récepteur clignotera à chaque fois qu’un message est
inscrit en mémoire du TelosB.
Les échanges auront lieu en indoor, tout d’abord dans un bureau, et ensuite dans
un couloir. Cela afin de voir l’influence de la forme de l’environnement sur la qualité
de liens. Des mesures en extérieur (outdoor) seront réalisées lors de l’amélioration
du code dans le chapitre suivant.
Le message inscrit en mémoire comporte 6 champs : un nombre, appelé MAGIC
et pris égal à 123, codé sur 8 bits, afin de signaler le début de la partie utile des
messages, l’identifiant du nœud source (8 bits), celui du nœud sélectionné (8 bits),
les numéros de chaque message reçu (32 bits), et les valeurs des deux métriques qui
nous intéressent, i.e. le RSSI (8 bits) et le LQI (8 bits). Ces deux derniers champs
sont calculés par le nœud récepteur à la réception de chaque message.

41

5.2. LE CODE NESC

Figure 5.1 – Format des messages inscrits en mémoire du TelosB

5.2

Le code nesC

Il m’a donc fallu réfléchir à une manière de coder cela. Pour ce faire, j’ai choisi de
créer trois dossiers : le premier contenant le code dédié à l’émission, qui sera, de ce
fait, téléchargé sur le nœud source, permettant ainsi l’envoi de messages ; le second
et le dernier, tous deux installés sur le nœud récepteur, à tour de rôle, gérant pour
l’un la réception des messages, et pour l’autre l’effacement complet de la mémoire
du TelosB récepteur.

5.2.1

L’émission

Dans un premier temps, intéressons nous au nœud émetteur. Lorsque le programme est téléchargé sur le TelosB, il faut attendre d’appuyer sur le bouton pour
déclencher l’émission par radio. Si cette dernière se fait correctement, un timer permet l’envoi des messages toutes les secondes. La led rouge du TelosB clignote à
chaque envoi, ce qui permet de vérifier que tout se déroule correctement. Lorsque
l’expérience est terminée, on appuie de nouveau sur le bouton, ce qui a pour conséquence de bloquer l’émission des messages et de remettre à zéro le compteur du
numéro de message envoyé (ce dernier s’incrémentant bien sûr à chaque envoi).

42

5.2. LE CODE NESC

Figure 5.2 – Emission des messages par le nœud source

5.2.2

La réception

Lorsque le programme est chargé sur le capteur, ce dernier se met en écoute pour
savoir si des messages sont transmis. Si c’est le cas, la led bleue se met à clignoter,
ce qui signale que l’écriture en mémoire des messages reçus, auxquels ont été ajoutés
le RSSI et le LQI, a bien été réalisée.
Lorsque l’on décide d’arrêter la campagne de mesures, l’on arrête l’émission des
messages en appuyant sur le bouton du nœud source. Il faut être capable, maintenant, de récupérer les données inscrites en mémoire du second nœud. Pour ce
faire, l’on commence par brancher le TelosB concerné au port USB d’un ordinateur.
Dans le code, l’on aura préalablement activé l’utilisation du port série et du bouton
présent sur le TelosB, et décidé que lorsque l’on appuie sur ce dernier, la lecture
mémoire pourra débuter. Dans un terminal, il est important d’écrire la commande
suivante :
java net.tinyos.tools.Listen -comm serial@/dev/ttyUSB0 :telosb
43

5.2. LE CODE NESC
Le message suivant s’affiche alors :
serial@/dev/ttyUSB0 :115200 : resynchronising
En appuyant sur le bouton du TelosB, la lecture mémoire commence alors.
Il est aussi possible de rediriger toute la mémoire dans un fichier texte en ajoutant
simplement, à la suite de la ligne de commande précédente, " > nom_fichier.txt",
ce qui est plutôt conseillé pour exploiter les données.
Une led verte clignote à chaque message lu. Il est aussi possible de choisir l’intervalle de temps entre la lecture de chaque message inscrit en mémoire. J’ai choisi
10ms, ainsi si l’expérience dure deux heures, il ne faudra environ que 1min30 pour
récupérer toutes les données.

Figure 5.3 – Traitement des messages par le nœud récepteur

44

5.3. MESURE DE LA PORTÉE EN MILIEU INDOOR

5.2.3

L’effacement de la mémoire des TelosB

Il est important, avant chaque nouvelle campagne de mesures, d’effacer la mémoire des TelosB. C’est pour cela que j’ai créé le dossier Erase. Il ne sera nécessaire
de supprimer les données que sur le nœud récepteur. En effet, c’est le seul qui enregistre des messages dans sa mémoire au cours de cette expérience. Lorsque ce
programme est téléchargé sur le nœud, la mémoire est effacée.

5.3

Mesure de la portée en milieu indoor

Une première étape, très importante pour le déroulement de mes expériences, a
été de mesurer la portée maximale de mes nœuds en indoor. Pour cela, je me suis
placée dans un couloir, au bout duquel j’ai installé mon nœud émetteur. Je me suis
alors éloignée de ce dernier avec le récepteur. Sa led bleue clignotant pour signaler
l’écriture en mémoire (ce qui implique que le message a été reçu), j’ai pu mesurer la
portée de cette manière. Je la trouve d’environ 36 mètres en indoor, contre 50 mètres
en théorie. Mais la théorie ne tient pas compte des phénomènes de propagations des
ondes, tels les multi-trajets, qui peuvent affecter la qualité des liens, comme nous le
verrons par la suite.

5.4

Exploitation des données

Une fois les données du nœud récepteur transférées dans un fichier .txt, j’ai
constaté qu’elle étaient codées en hexadécimal, ce qui n’est pas facile à exploiter.
C’est pour cela que j’ai choisi de créer un programme de conversion permettant de
traduire ces données récupérées en format décimal. Le langage C m’étant familier,
je me suis naturellement tournée vers ce dernier.

5.4.1

Programme de conversion

Au vu des données enregistrées dans le fichier .txt, tous les messages se présentent sous la forme suivante :

Figure 5.4 – Format des messages récupérés de la mémoire
45

5.4. EXPLOITATION DES DONNÉES
Dans un fichier hexadeci.c, j’ai tout d’abord créé une fonction lire qui permet de
récupérer le contenu d’un fichier .txt afin de le stocker dans un tableau.
Dans un second temps, il m’a fallu gérer la conversion des caractères hexadécimaux en caractères décimaux. Pour cela, j’ai fait une fonction conversion. Dans le
cas de mon fichier .txt, les caractères se présentant deux par deux, j’ai choisi de les
convertir par deux. Il est cependant important de noter qu’il faudra faire attention
au compteur du nombre de message, qui lui est codé sur 32 bits.
Ensuite, dans mon main, je regroupe les caractères deux par deux dans un tableau intermédiaire de longueur 2, afin d’utiliser la fonction conversion sur ce dernier.
Les paires de caractères étant séparées par des espaces, je peux ainsi les délimiter
facilement. Une fois les données converties, je les stocke dans un nouveau tableau.
Comme précisé précédemment, le compteur du nombre de messages va recevoir
un traitement particulier. Etant codé sur 32 bits, je multiplie le caractère décimal
de poids le plus fort par 166 , puis le second par 164 , le troisième par 162 et enfin le
dernier par 160 , et j’ajoute ces quatre nombres.
Je souhaite aussi obtenir un RSSI compris entre -128 et 128. Or, ce dernier codé
sur 8 bits, sera compris entre 0 et 256. Ainsi, si RSSI est supérieur à 128, j’effectue
l’opération suivante :
RSSI = RSSI - 256
Il ne reste plus qu’à inscrire tous ces champs, maintenant codés en décimal, dans
un tableau final. Ce dernier sera inscrit dans un fichier .csv et chaque champ sera
séparé par un « ;». De cette manière, il sera facile de l’ouvrir dans un document
Excel afin de tracer les RSSI et LQI en fonction du numéro de message reçu et, de
ce fait, d’observer leur comportement.
Jusqu’à maintenant, j’ai pu récupérer les valeurs du RSSI et du LQI, mais il est
intéressant de calculer celles de la dernière métrique dont j’ai parlé dans le chapitre
3, à savoir le PER, afin de se donner une idée du taux de pertes. Le nœud source
incrémentant un compteur à chaque fois qu’il envoie un message, et le nœud récepteur enregistrant en mémoire cette valeur de compteur, s’il y a des paquets perdus,
alors il y aura des "sauts" pour deux numéros de compteur successifs. L’on peut
ainsi enregistrer dans un fichier .txt les numéros des paquets perdus, et de ce fait,
calculer leur nombre.

46

5.4. EXPLOITATION DES DONNÉES

5.4.2

Evolution de la qualité de liens en fonction de la distance entre les nœuds

Dans ce contexte d’expérience, j’ai choisi de réaliser deux séries de mesures,
toutes les deux en indoor. Un premier scénario se déroule dans un environnement
restreint, i.e. dans un bureau, et le second, dans un environnement indoor avec un
espace plus large, i.e. un couloir.

Scénario 1 : Mesures dans un bureau
Dans ce premier scénario, j’éloigne les deux TelosB de 1 mètre 50 toutes les 30
minutes, pour une durée d’expérience totale de 2h30.

Figure 5.5 – Scénario 1 : tracé du RSSI en fonction du numéro de paquet reçu

47

5.4. EXPLOITATION DES DONNÉES

Figure 5.6 – Scénario 1 : tracé du LQI en fonction du numéro de paquet reçu
Les courbes des deux métriques n’ont pas l’allure à laquelle je m’attendais. Je
pensais que RSSI et LQI allaient diminuer en fonction de la distance, comme cela
est présenté dans la thèse suivante : [18]. On s’attend ici à un affaiblissement de la
puissance selon :
Pr (d) = P0 /dn

(5.1)

Mais l’on peut voir ici que ce n’est pas le cas. En effet, durant les mesures, il y
avait de l’activité dans le bureau, ce qui peut affecter la qualité de liens. Aussi, dû au
fait que de nombreux obstacles sont présents dans cette pièce, on peut imaginer que
les transmissions sont affectées par des multi-trajets et/ou du fading, ce qui peut
expliquer l’allure de ces courbes. C’est pour cela qu’il est intéressant, dans notre cas,
d’observer la qualité de liens dans un espace parsemé que de très peu d’obstacles.
Regardons ce qu’il se passe dans le cas du second scénario.
Mais avant cela, intéressons nous à la troisième métrique de qualité de liens, le
taux de pertes :

48

5.4. EXPLOITATION DES DONNÉES

Figure 5.7 – Scénario 1 : paquets perdus et calcul du PER
L’on voit ici que très peu de paquets ont été perdus, 10, pour 9357 messages
échangés. Ce qui conduit à un PER de 0.1%, ce qui est très satisfaisant.
En regardant sur les courbes précédentes, l’on voit que ces derniers ont été perdus, en majeure partie, lors du premier mouvement des capteurs (environ à 30 min),
et en toute fin d’expérience lorsque j’ai arrêté les nœuds.

Scénario 2 : Mesures dans un couloir
Dans ce deuxième scénario, j’éloigne les deux TelosB de 1 mètre 50 toutes les 30
minutes, pour une durée d’expérience totale de 5 heures.

Figure 5.8 – Scénario 2 : tracé du RSSI en fonction du numéro de paquet reçu

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