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Auto-Organisation Efficace en Energie pour Réseaux de Capteursune approche transversale
Thomas Watteyne4 novembre 2008
2/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Réseaux de Capteurs
Internet
Domaines d’application: monitoring environnemental, maison intelligente, surveillance industrielle, RdC urbains…
• mesure d’une valeur physique• traitement de cette valeur• communication sans-fil
Similaires aux réseaux ad hoc• pas d’infrastructure fixe• topologie changeante• communication multi-sauts
Différents des réseaux ad hoc• système embarqué: puissance de
calcul, mémoire et énergie limitées• pas de mobilité des nœuds • flux de trafic convergeant
(convergecast)
• grand nombre de nœuds• faible trafic
3/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Auto-organisation, Efficacité en énergie
« Self-Organization can be defined as the emergence of system-wide behavior from local interaction between individual entities »
C. Bettstetter
Efficacité en Energie
?
radio96%
capteurs4%
micro-controlleur<1%
Noeud Actif
actif endormi0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
100
17.075
0.001
Courant (mA)
4/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Plan
Accès au Medium• Etat de l’Art• Proposition : 1-hopMAC
Routage• Routage géographique• Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles
Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales• Sense&Sensitivity
Conclusions et Perspectives
1
2
3
4
5/30
S
A
B
C
T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Etat de l’ArtArbitrer l’accès au medium partagé:
• Efficacité en Energie• Qualité de Service (délai, fiabilité)• Equité• Capacité du réseau
PHY
MAC
routage
Ordonnancement Synchronisation de périodes actives
Echantillonnage de préambule
TSMP,PisterSMAC,Sohrabi
RdC Urbains
période d’écoute≥ période d’écoute
DATA
DATA
émetteur S
récepteur A
récepteur B
récepteur C
réveil donn
ées
Synchronisation (énergie, bande passante)
Adaptation aux changements de topologie
Résistance à la charge du réseau
6/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Notre proposition: 1-hopMAC• extension de l’échantillonnage de préambule• découverte des voisins à la demande (≠ paquets Hello)
déco
uver
te
réveil
donn
ées
1-hopMAC v1But: identifier le voisin avec la plus petite métrique
S
A [0.1]
B [0.2]C [0.6]
1-hopMAC v2But: identifier tous les voisins
S
A
BC
7/30
1-hopMAC v1Idée:
• le voisin de plus petite métrique répond en premier
• après la première réponse, le nœud initiateur arrête d’écouter
S
A
BC
réveil
donn
ées
S
métrique βA=0.1
métrique βB=0.2
métrique βC=0.6
D
ACK0.2×D
Problème:
• probabilité de collision avec le premier message (≠ ALOHA)
dxA xB
NACK
0.6×D
T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
ACK0.1×D
8/30
1-hopMAC v1
T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
3 étapes:
• probabilité en fonction de D et xfirst=min(xi)
• densité de probabilité de xfirst
• probabilité en fonction de D
Probabilité de collision si• βi uniformément réparties• xi proportionnel à βi
9/30
Uniformément distribuées
pas nécessairement uniformément
distribués
x=D.β1/4
x=D.β1/3
x=D.β1/2
x=D.β1/1
prob
abili
té d
e co
llisi
on a
vec
le p
rem
ier
mes
sage
Taille de la fenêtre de contention
1-hopMAC v1Métrique du nœud i
fonctiontemps d’attente
T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
x=D.β1/1
x=D.β1/2
x=D.β1/3
x=D.β1/4
x=D.β1/2.3-40%
10/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Plan
Accès au Medium• Etat de l’Art• Proposition : 1-hopMAC
Routage• Routage géographique• Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles
Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales• Sense&Sensitivity
Conclusions et Perspectives
1
2
3
4
11/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Routage Géographique
mode glouton
mode face?
grap
he p
lana
ire
GF
G,
Sto
jmen
ović
Pour les domaines d’application considérés:• grand nombre de nœuds pas d’état (stateless)• faible charge pas de maintien continu de structure
Routage géographique est une solution adaptée
12/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Notre proposition: routage 3rules
• Garantit la délivrance sur un graphe arbitraire stable
Idée: enregistrer la séquence de nœuds traversés dans le paquet
• version localisée de recherche en profondeur d’abord
1. ne jamais envoyer deux fois le même message au même nœud;
2. renvoyer un message à un voisin que s’il n’a aucun autre voisin avec qui il n’a jamais communique;
3. renvoyer le message vers le voisin qui m’a envoyé le message en dernier.
jamais 1er choix 2nd choix
simula
tion
13/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Planarisation Localisée: Robustesse
• Toutes les techniques de planarisation localisées (e.g. transformée de Gabriel) échouent sous des hypothèse réalistes;
• les graphes ne sont pas planaires, GFG ne garantit plus la délivrance.
lorsque les nœuds ne connaissent pasparfaitement leur position
lorsque les zones de communicationradio ne sont pas circulaires
simulation
simulation
14/30
positions virtuelles initiales(liens entre nœuds voisins)
positions virtuelles après que 100 messages ont
traversé le réseau
positions virtuelles après que 500 messages ont
traversé le réseau
Coordonnées Virtuelles• Les nœuds ne connaissent pas leur position géographique.• Coordonnées Virtuelles représentent la position topologique.• Initialisation
• nœuds : choisissent position [x,y] aléatoirement• puits : choisit [0,0]
• A chaque trame émise• nœuds : mise à jour au barycentre des voisins• puits : reste à [0,0]
positions géographiquesdes nœuds
T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
15/30
GFG
T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Coord. Virtuelles - Convergence [1/2]
routage 3rules sur positions virtuelles
1.10
GFG sur positions réelles (i.e.
localisation parfaite des nœuds)
simulation
longueurchemin trouvé
longueurplus court chemin
16/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Coord. Virtuelles - Convergence [2/2]
Preuve : les coordonnées virtuelles s’alignent
0 messages sent 100 300,000500
17/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Coord. Virtuelles - Efficacité
15 ans × 2 messages/jour/nœud × 100 nœuds ≈ 1 million messages 63.3% de consommation en moins
simulationsimulation
18/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Coord. Virtuelles - Robustesse
temps
simulation
200 nœuds aléatoirement
déployés60 nœuds
aléatoirement détruits 60 nœuds
aléatoirement déployés
19/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Plan
Accès au Medium• Etat de l’Art• Proposition : 1-hopMAC
Routage• Routage géographique• Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles
Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales• Sense&Sensitivity
Conclusions et Perspectives
1
2
3
4
20/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Intégration des PropositionsCross-layering routage 3rules et Coordonnées Virtuelles 1-hopMAC v2 (liste complète de voisins)
WSN430(développé au CITI)
réveil données
Coordonnées Virtuelles du nœud A
Décisionde routage
21/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
68 intérieur+ 18 extérieur
86 nœuds
nœud puits
nœud puits
10mhttp://senseandsensitivity.rd.francetelecom.com/
envoi toutes les 7.5 minutes
en moyenne
22/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Stabilité des liens radio entre voisins
expérimentation
Puissance d’un lienfortement corrélé avecProbabilité de succès
Liens représentatifs:écart-type moyen de la puissance est de 1.04
(en dBm, sur 120 liens)
23/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Impact sur le voisinage
expérim
entation
24/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Robustesse de la Solution de Routage [1/4]
expé
rimen
tatio
n
25/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Robustesse de la Solution de Routage [2/4]
expérimentatio
n
26/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Robustesse de la Solution de Routage [3/4]
expérimentatio
n
27/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Robustesse de la Solution de Routage [4/4]
expé
rimen
tatio
n
28/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Plan
Accès au Medium• Etat de l’Art• Proposition : 1-hopMAC
Routage• Routage géographique• Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles
Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales• Sense&Sensitivity
Conclusions et Perspectives
1
2
3
4
29/30
An
alys
e, S
imu
latio
n, E
xpér
imen
tatio
n
T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Conclusions
• échantillonnage de préambule est la technique d’accès au médium la plus efficace
• découverte de voisinage entièrement à la demande
1-hopMAC
• Routage géographique adapté aux RdC• problème de robustesse avec
coordonnées réelles
routage 3rules sur Coordonnées Virtuelles
Observations expérimentales montrent la dynamique du graphe de connectivité.
gran
d no
mbr
e de
nœ
uds,
faib
le tr
afic
30/30
Aborder la couche MAC avec un angle autre que l’énergie:• Qualité de Service (latence, fiabilité)• Comparaison des différentes approches sur ces nouveaux critères
T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
PerspectivesPHY
MAC
routage
• Coordonnées Hybrides, utiles à la fois pour l’application (positionnement géographique) et pour le routage (positionnement topologique)
• redéfinir les Coordonnées Virtuelles dans un espace de contraintes différent (e.g. chemin à énergie minimale, zones interdites, QoS, multi-chemins etc.)
• Effort de proposition de nos résultats:• IETF ROLL, routage dans les RdC
• Prise en compte des résultats suivants:• IEEE802.15.4, nouvelles fonctionnalités offertes par le matériel
Cross-layering avec la couche matérielle.• IETF 6LoWPAN, utilisation de IPv6 dans un réseau IEEE802.15.4
Maturité des solutions ? Impact et adaptation.
31/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
PublicationsBrevets
• Thomas Watteyne, Abdelmalik Bachir, Mischa Dohler, Dominique Barthel, Isabelle Augé-Blum "A low-energy adaptive cross-layer communication protocol for avoiding 1-hop neighborhood knowledge ," juin 2006 (international).
• Thomas Watteyne, Mischa Dohler, Isabelle Augé-Blum, Stéphane Ubéda "Using Centroid Transformation on Virtual Coordinates to Route in Wireless Sensor Networks," septembre 2007 (France).
Revue Internationale
• Mischa Dohler, Thomas Watteyne, Fabrice Valois, Jia-Liang Lu "Kumar’s, Zipf’s and Other Laws: How to Structure a Large-Scale Wireless Network ?," Annals of Telecommunications, vol.63, number 5-6, pp.239-251, 4 June 2008.
Chapitres de Livres
• Thomas Watteyne, Mischa Dohler, Isabelle Augé-Blum, Dominique Barthel "Beyond localization: communicating using virtual coordinates," Book chapter accepted for inclusion in "Localization Algorithms and Strategies for Wireless Sensor Networks", Guoqiang Mao and Baris Fidan Eds., to be published by IGI Global in 2008.
• Isabelle Augé-Blum, Fei Yang, Thomas Watteyne "Real-Time communications in Wireless Sensor Networks," Book chapter accepted for inclusion in "Handbook of Research on Next Generation Networks and Ubiquitous Computing", Samuel Pierre Ed., to be published by IGI Global in 2008.
Contribution IETF
• Mischa Dohler, Thomas Watteyne, Tim Winter Eds. "Urban WSNs Routing Requirements in Low Power and Lossy Networks," IETF Internet-Draft, Networking Working Group ROLL, June 2008.
Conférences Internationales (9)
• DCOSS’08 (work-in-progress), GLOBECOM’07, PIMRC’07 (2 papiers), European Wireless’07, BodyNets’07, IWWAN’06, InterSense’06, MASCOTS’05.
Tutoriels donnés en Conférences Internationales
• VTC 2008-Fall (demi-journée, 7 participants), WPMC’08 (journée entière, 32 participants).
Liste alphabétique des co-auteurs: Isabelle Augé-Blum, Abdelmalik Bachir, Dominique Barthel, Mischa Dohler, Jia-Liang Lu, David Simplot-Ryl, Stéphane Ubéda, Fabrice Valois, Tim Winter, Fei Yang.
32/30
Analyse, Simulation, Expérimentation• Analyse
• Outils statistiques• Chaines de Markov
• Simulation (GTSNetS) • Simulateur à événements discrets• Passage à l’échelle• Modèles de propagation, capteur, environnement physique
• Expérimentation• Environnement de développement Think
T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
com
plém
enta
rité
EM2420 WSN430(développée au CITI)
33/30
S
A
B
C
T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Echantillonnage de Préambule
émetteur S
récepteur A
récepteur B
récepteur C
période d’écoute≥ période d’écoute
DATA
DATA
micro-trame• décompte• adresse destination
Echantillonnage de préambule à micro-trames• préambule découpé• micro-trame: décompte et adresse destination
34/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Comparaison analytique entre MACs
35/30
S
…
S
…S
…
B
A
C
Réseau à faible trafic: inefficacité en énergie ?
T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Découverte de voisinage
S
A B
C
Etat de l’art• envoi périodique de paquets Hello (couche routage)• écoute du canal et maintien de tables de voisinage
36/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
1-hopMAC v2 [1/2]
but: donner le temps à tous les nœuds de répondre en ouvrant des fenêtres de
contention successives
Canal occupé, réponse envoyée à la prochaine fenêtre de contention
Dernière fenêtre libre, envoi des données
S
A
BC
37/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
1-hopMAC v2 [2/2]
Durée totale de contention CT vs. durée d’une fenêtre CW
pour 5 voisins
Nombre de fenêtres de contention
Nombre de voisins
CW CT
3 9ms 31ms
4 10ms 46ms
5 14ms 62ms
6 17ms 74ms
7 16ms 88ms
8 19ms 103ms
9 22ms 118ms
analyse
durée d’une fenêtre de contention, CW
du
rée
to
tale
de
co
nte
ntio
n,
CT
38/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Etat de l’ArtTrouver un chemin multi-sauts en un nombre de sauts réduit (élongation)
PHY
MAC
routage
routage par inondation
routage hiérarchique routage géographique
?
!
39/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Routage Hiérarchique
Clustering• grouper les nœuds• nœud leader par
cluster• maintien de la structure
Dé
bit
no
rma
lisé
du
ré
sea
u
Nombre de Clusters
analyse
40/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Planarisation du Graphe
graphe non planaire
• liens ne se croisent pas
• GFG garantit la délivrance
transformée de Gabriel(localisée)
graphe planaire associé
but: retirer « logiquement » les liens qui se croisent.
41/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Planarisation du Graphe
• GFG échoue lorsque le graphe n’est pas planaire
D
H
G F
E
D
H
G F
E
graphe non-planaireGraphe planaire associe
42/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Coordonnées Réelles et Virtuelles
Coordonnées Réelles
CoordonnéesVirtuelles
• représentent les positions géographiques des nœuds
• problème des hypothèses non réalistes pour le routage
• représentent les positions topologiques des nœuds
• utilisables pour le routage (3rules; GFG non utilisable)
Un nœud: • choisit ses coordonnées virtuelles aléatoirement au démarrage;• met à jour ses coordonnées virtuelles à chaque envoi.
les coordonnées virtuelles convergent (i.e. l’élongation des chemins tend vers 1)
43/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Utilisation de puits multiples [1/2]
44/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Utilisation de puits multiples [2/2]
45/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Coord. Virtuelles - Convergence [3/3]
Preuve (étape 2): est-ce que ces coord. virtuelles s’alignent correctement ?
real
coo
rd.
virt
ual c
oord
.
46/30T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC
Observations de Propagation
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