MaCARI : Une méthode d’accès déterministe et économe en énergie pour

les réseaux de capteurs sans filUniversité Blaise Pascal

Laboratoire LIMOSÉquipe Réseaux et Protocoles

Gérard CHALHOUB

Directeur de thèse : Pr. Michel MISSON

Le 7 décembre 2009

Gérard CHALHOUB 2

Plan1. Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) :

– Définition des RCSF,– Contexte : projet OCARI,– Objectif de la thèse.

2. Les protocoles MAC dans les réseaux de capteurs sans fil :

– Principales familles et techniques utilisées,– IEEE 802.15.4 et ZigBee.

3. Description de la contribution :– Protocole MaCARI.

4. Évaluation : – Simulation, prototype et étude analytique.

5. Conclusion et perspectives.

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1.1 Les réseaux de capteurs sans fil

• Ensemble de nœuds communicants (en mode ad-hoc) constitués de 4 composants essentiels : un module radio, un microcontrôleur, capteur(s)/actionneur(s) et une source d’énergie.

Réseau

de l’entreprise

Unité

de contrôle

Réseau de capteurs sans fil

Passerelle

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1.2 Domaines d’application

• Surveillance : sites naturels, êtres humains (patients), édifices (barrages, bâtiments), etc.

• Militaire : analyse de terrains, etc.

• Localisation : mines, avalanche, etc.

• Industrie : commande à distance, dosimétrie, etc.

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1.3 Spécificités• Entités contraintes énergétiquement (alimentation par

pile),

• Capacité de calcul limitée (par rapport à un ordinateur),

• Espace mémoire limité (stockage de quelques Mo),• Faible débit (250 kb/s),

• Courte portée (dizaine de mètres à l’intérieur),• Consommation quasiment égale en émission qu’en

réception.

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1.4 Projet OCARI

• OCARI : Optimisation des Communications Ad-hoc dans les Réseaux Industriels.

• Projet ANR (Agence Nationale de la Recherche).

• 7 partenaires : 3 industriels (DCNS, EDF, Télit), et 4 académiques (INRIA, LATTIS, LIMOS, LRI).

• Objectif : conception de protocoles de réseaux prenant en compte l’économie d’énergie et garantissant une qualité de service pour un trafic prioritaire.

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1.5 Pile OCARI

Couche physique IEEE 802.15.4

Couche application (profils applicatifs)

Couche réseau (SERENA, EOLSR)

Couche MAC

Télit : Partie du

code 802.15.4

LRI : Consommation

Énergétique

Gestion d’accès intra-étoile

Gestion globale d’accès

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1.6 Profil d’un réseau OCARI• Réseau de quelques centaines de nœuds,

• Possibilité de déployer plusieurs îlots de nœuds sur différentes fréquences (interconnectés via des passerelles),

• Mobilité restreinte, limitée à 2 ou 3 nœuds par îlot,

• Deux types de trafic avec 2 niveaux de priorités différentes,

• Délai de bout-en-bout borné (une ou quelques secondes selon le type d’application).

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1.7 Réseau OCARI

Unité de contrôle

Îlot 1

Îlot 2

Îlot 3

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1.8 Objectif de la thèse

Économie d’énergie DéterminismeFaire dormir les nœuds et éviter les sources de consommation énergétique,

Garantir l’accès au médium sous un délai borné.

• Conception et validation d’une méthode d’accès au médium économe en énergie et déterministe pour les RCSF.

Antagonisme : garantir la réception et faire dormir les nœuds

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2.1 Sources de consommation• Les sources de consommation au niveau MAC en

mode actif :

– Collisions (perte de trames à cause de réceptions simultanées)

– Réceptions inutiles (overhearing, réception de trames qui ne concernent pas le nœud)

– Activations inutiles (idle listening, sans émettre ni recevoir)

– Envois infructueux (envoi vers un nœud inactif)

– Surcharge du protocole (overhead, trafic de contrôle)

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2.2 Protocoles MAC pour les RCSF• TDMA (Time Division Multiple Access)

– Pour :• Accès garanti

– Contre : • Algorithmes complexes (centralisés, passage à l’échelle difficile)

• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)

– Pour :• Algorithmes simples (décentralisés, passent à l’échelle)

– Contre :• Accès non garanti

• Hybrides : combinent TDMA et CSMA/CA

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2.3 Exemples de protocoles

• TRAMA :– Données applicatives envoyées en TDMA,– Découverte de voisinage et attribution des slots en CSMA/CA, – Chaque slot est alloué à un nœud dans un voisinage à deux

sauts.

• S-MAC : – Les nœuds échangent et partagent avec leurs voisins le cycle

d’activité,– Les nœuds utilisent CSMA/CA de 802.11 avec RTS/CTS et se

réveillent à la fin de chaque échange pour savoir s’ils sont concernés par l’échange suivant.

activité sommeil activité sommeil

TDMA CSMA/CA

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2.4 IEEE 802.15.4/ZigBee

Gérard CHALHOUB 15

2.5 Couche MAC IEEE 802.15.4

Supertrame (période d’activité)

Période d’inactivité

Coordinateur du PAN

Coordinateur

Feuille

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2.6 Couche réseau ZigBee

• Adresses hiérarchiques– Routage hiérarchique (sans

table de voisinage ni table de routage)

– Lm = 3, Rm = 3, Cm = 5,– A chaque association le nœud

reçoit une adresse hiérarchique logique (appelée adresse courte).

• Organisation en cluster-tree.

065

64

22

1

82

41

4443

6245

48

76

2723

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2.7 Problèmes du cluster-tree

A

B

Collisions de beacons

GTS non garantis

A

B

Période d’inactivité

Période d’inactivité

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Plan (rappel)1. Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) :

– Définition des RCSF,– Contexte : projet OCARI,– Objectif de la thèse.

2. Les protocoles MAC dans les réseaux de capteurs sans fil :

– Principales familles et les techniques utilisées,– IEEE 802.15.4 et ZigBee.

3. Description de la contribution :– Protocole MaCARI.

4. Evaluation :– Simulation, prototype et étude analytique.

5. Conclusion et perspectives.

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3.1 Topologie d’un îlot OCARI

Coordinateur du PAN

Coordinateur

Feuille

Étoile

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3.2 Cycle global de MaCARI

• Segmentation temporelle en 3 périodes : – Période de synchronisation : partager une même vue du

temps,– Période d’activité : échanger les données applicatives,

• Récolte intra-étoile ([T1; T2]),

• Routage inter-coordinateurs ([T2; T3]).

– Période d’inactivité : économiser de l’énergie.

Synchro. Récolte intra-étoile Routage Inactivité

Cycle global

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• Propagation sur l’arbre,• Initiée par le CPAN (A dans l’exemple),• Ordre d’envoi à respecter (A, B, C, D, E, F, G).

3.3 Période de synchronisation

ABCDEFG

T0 T1

A

B C

D E F G Cascade de beacons

T2 T3

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• Intervalles intra-étoile,• Relais entre coordinateurs père-fils,• Séquencement des périodes d’activité.

3.4 Période intra-étoile et relais

ABCDEFG

T1 T2

A

B C

D E F G

T0 T3T3

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3.5 Délai borné

A

B C

D E F G

ABCDEFG

ABCDEFG

ABCDEFG

Routage arborescent

Cyc

le

nC

ycle

n+

1C

ycle

n+

2

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3.6 Routage [T2; T3]

• Vérifier la table de voisinage pour prendre des raccourcis

A

B C

D E F G

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• Prototypage sur les cartes B2400ZB-Tiny :

4.1 Évaluation sous trois formes• Simulation sous NS2 :

• Analytique :

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4.2 Simulation

• Implémentation du protocole MaCARI en tant que couche 2 (y compris le CSMA/CA slotté),

• Implémentation d’un modèle de propagation paramétré à partir de mesures (ITU-R P1238-4),

• Implémentation d’une couche physique qui gère les collisions et l’effet de capture,

• Implémentation de deux protocoles de routage : routage hiérarchique et routage hiérarchique avec raccourcis.

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4.3 Démarche d’évaluation

• Comparaison avec une configuration de beacon-only period du task groupe,

• Montrer l’apport des intervalles de relais.

Beacon-only

MaCARI sans Intervalles de relais

MaCARI

Synchro

Synchro

Synchro

Intra-étoile + routage

Routage

Routage

Intra-étoile

Relais garanti

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4.4 Scénarii de simulation• Scénario 1 : 9 coordinateurs et 25 feuilles• Scénario 2 : 9 coordinateurs et 36 feuilles• Scénario 3 : 16 coordinateurs et 49 feuilles• Scénario 4 : 16 coordinateurs et 64 feuilles• Scénario 5 : 25 coordinateurs et 81 feuilles

Capture d’écran

d’un scénario 4 de simulation

Génération de trafic : toutes les feuilles,

16 trames par feuille, 1 trame par seconde,22 octets par trame.

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4.5 Nombre de collisions (simulation)

• Effet de la segmentation,• Le relais garanti diminue la contention durant la

période de routage.

Nom

bre

de c

ollis

ions

par

tr

ame

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4.6 Quantité de trafic (simulation)N

ombr

e d’

octe

ts

reçu

s

Nombre d’octets envoyés

• Amélioration nette de l’utilisation du medium,• 20 Ko reçus de plus entre le point A et point B.

A

B

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4.7 Délai de bout-en-bout

• 7 coordinateurs avec 1 feuille active par coordinateur,• Intra-étoile 92,16 ms et relais 30,72 ms, cycle global

de 1,877 s (multiples de 320 µs).

Simulation Prototype

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4.8 Délai de bout-en-bout : simulationN

ombr

e de

tr

ames

Délai en seconde

• Délai dépasse la durée d’un cycle (1.8 secondes) dû au report des trames.

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4.9 Délai de bout-en-bout : prototypeN

ombr

e de

tr

ames

Délai en seconde

• Convergence avec les résultats de simulation.

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4.10 Évaluation du gain énergétique• Hypothèses d’évaluation :

– Deux niveaux de consommation (tout ou rien),– Écoute, réception et envoi : consommation équivalente,– La consommation du changement d’état n’est pas prise en

compte.

• Ceci nous permet d’évaluer d’une manière relative la consommation énergétique de MaCARI,

• Nous avons choisi une configuration de l’approche beacon-only period proposée par le task group 15.4b

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4.11 Gain énergétique (analytique)

0 [T1; T3]/2 [T1; T3] [T1; T3]*2

Rat

io d

u ga

in

éner

gétiq

ue

• Différentes valeurs de la période d’inactivité [T3; T0],• 8 feuilles actives par cycle et par coordinateur.

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4.12 Taille du réseau et délai borné

• Taille du réseau (nombre de coordinateurs et nombre de feuilles actives par coordinateur) en fonction du délai borné attendu,

• Prise en compte du pire des cas : des trames reportées (trames générées vers la fin d’une période d’activité).

Durée des intervalles en fonction de la taille du réseau

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4.13 Taille du réseau et délai borné

• Point A : pour [T2; T3] = [T1; T2], nous pouvons avoir un réseau de 5 étoiles avec 8 feuilles actives par étoile par cycle.

A

[T1; T2]/4 [T1; T2]/2 [T1; T2] [T1; T2]*2

Nom

bre

d’ét

oile

s

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4.14 Vérification par simulation

• 5 étoiles avec 8 feuilles actives par étoile,• Intra-étoile 50 ms et relais 20 ms,• Cycle global de 748 ms.

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4.15 Vérification par simulation

• 100 trames envoyées (100 trames reçues),

• Production périodique d’une trame par seconde,

• Chacune des trames est reçue en moins d’une seconde.

Délai en seconde

Nom

bre

de

tram

es

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4.16 Vérification par simulation

• 9 étoiles avec 2 feuilles actives par étoile,• Intra-étoile 20 ms et relais 10 ms,• Cycle global de 491,68 ms.

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4.17 Vérification par simulation

• 100 trames envoyées (100 trames reçues),

• Production périodique d’une trame par seconde,

• Chacune des trames est reçue en moins d’une seconde.

Délai en seconde

Nom

bre

de

tram

es

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5.1 Conclusion

• La segmentation temporelle des activités dans un RCSF tel que OCARI conduit à :

– Une amélioration de l’utilisation du canal,– Une économie d’énergie pour l’ensemble des nœuds du

réseau,– Une qualité de service en terme d’accès déterministe et

de délai borné de bout-en-bout.

• Cette solution est centralisée et les activités sont séquentielles.

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5.2 Conclusion

Collisions Envois infructueux

Réceptions inutiles

Trafic de control

Activations inutiles

• Pas de collision de beacon• Pas de collision pour le trafic prioritaire• Diminue le nombre de collisions

• Évite les envois infructueux

• Pour les feuilles : limitée à la période d’activité• Prise en charge par SERENA pour les coordinateurs

• Limité à la phase de création et aux envois de beacon

• Activation pour les feuilles limitée à la période d’activité• Prise en charge par SERENA pour les coordinateurs

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5.3 Perspectives à court terme• Améliorer l’accès au médium durant [T2; T3] avec une

nouvelle méthode TDMA/CA (à utiliser avec SERENA)– Activation de plusieurs nœuds durant les slots colorés quand

ceci ne cause pas de collision.

• Dimensionnement des intervalles de relais en fonction de la topologie et de la quantité du trafic prioritaire

– Prise en compte du nombre de descendants.

• Évaluer le comportement de MaCARI sous différents profils de trafic

– Gestion des alarmes.

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5.4 Perspectives à long terme

• Paralléliser les activités durant : [T0; T1] et [T1; T2] en appliquant une réutilisation spatiale (avec SERENA)

– Attribution d’une couleur par étoile.

• Gérer la mobilité ou le nomadisme de certains nœuds– Prise en compte du rondier.

• Adopter une solution décentralisée – Choix d’une période d’activité en fonction des voisins.

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Fin

A

B C

D E F G

MerciMerciMerciMerciMerciMerciMerci

de votre écoute.