Transcript Auto-Organisation Efficace en Energie pour Réseaux de Capteurs une approche transversale Thomas Watteyne 4 novembre 2008

Auto-Organisation Efficace en Energie
pour Réseaux de Capteurs
une approche transversale
Thomas Watteyne
4 novembre 2008
Réseaux de Capteurs
• grand nombre de nœuds
• faible trafic
Internet
• 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)
Domaines d’application: monitoring environnemental, maison
intelligente, surveillance industrielle, RdC urbains…
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Auto-organisation, Efficacité en énergie
« Self-Organization can be
defined as the emergence of
system-wide behavior from
local interaction between
Efficacité en Energie
individual entities »
Noeud Actif
Courant
(mA)
C. Bettstetter 100
10
?
17.075
capteurs
4%
microcontrolleur
<1%
1
0.1
0.01
radio
96%
0.001
0.001
0.0001
actif
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endormi
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Plan
1 Accès au Medium
• Etat de l’Art
• Proposition : 1-hopMAC
2 Routage
• Routage géographique
• Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles
3 Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales
• Sense&Sensitivity
4 Conclusions et Perspectives
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routage
Etat de l’Art
C
B
S
MAC
Arbitrer l’accès au medium partagé:
• Efficacité en Energie
• Qualité de Service (délai, fiabilité)
• Equité
• Capacité du réseau
PHY
A
Ordonnancement
Synchronisation de
périodes actives
Echantillonnage de
préambule
≥ période d’écoute
période d’écoute
récepteur A
Synchronisation (énergie, bande passante)
DATA
Résistance à la charge du réseau
récepteur B
SMAC,
TSMP,
récepteur C
Sohrabi
Pister
données
émetteur S
DATA
Adaptation aux changements de topologie
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réveil
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RdC Urbains
Notre proposition: 1-hopMAC
réveil
1-hopMAC v2
But: identifier tous les voisins
B
C
S
découverte
données
• extension de l’échantillonnage de préambule
• découverte des voisins à la demande (≠ paquets Hello)
1-hopMAC v1
But: identifier le voisin avec la
plus petite métrique
B [0.2]
C [0.6]
S
A
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A [0.1]
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1-hopMAC v1
C
B
Idée:
• le voisin de plus petite métrique répond en premier
S
• après la première réponse, le nœud initiateur arrête d’écouter
A
D
0.1×D
métrique βA=0.1
N
métrique βB=0.2
réveil
ACK
0.2×D
ACK
0.6×D
métrique βC=0.6
xA xB
ACK
données
S
d
Problème:
• probabilité de collision avec le premier message (≠ ALOHA)
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1-hopMAC v1
Probabilité de collision si
• βi uniformément réparties
• xi proportionnel à βi
3 étapes:
• probabilité en fonction de
D et xfirst=min(xi)
• densité de probabilité de
xfirst
• probabilité en fonction de
D
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1-hopMAC v1
probabilité de collision avec le premier message
Métrique du nœud i
fonction
Uniformément
distribuées x=D.β1/1
x=D.β1/2
x=D.β1/4pas nécessairement
x=D.β1/3
x=D.β1/3
1/4 1/1
x=D.β
x=D.β
temps d’attente
x=D.β1/2
uniformément
distribués
-40%
x=D.β1/2.3
Taille de la fenêtre de contention
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Plan
1 Accès au Medium
• Etat de l’Art
• Proposition : 1-hopMAC
2 Routage
• Routage géographique
• Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles
3 Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales
• Sense&Sensitivity
4 Conclusions et Perspectives
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mode glouton
? considérés:
Pour les domaines d’application
• grand nombre de nœuds  pas d’état (stateless)
• faible charge  pas de maintien continu de structure
mode face
Routage géographique est une solution adaptée
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GFG, Stojmenović
Routage Géographique
Notre proposition: routage 3rules
Idée: enregistrer la séquence de
nœuds traversés dans le paquet
• version localisée de recherche
en profondeur d’abord
jamais
1er choix
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.
2nd choix


•
Garantit la délivrance sur un
graphe arbitraire stable
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Planarisation Localisée: Robustesse
lorsque les nœuds ne connaissent pas
parfaitement leur position
lorsque les zones de communication
radio ne sont pas circulaires
• 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.
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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 virtuelles initiales
(liens entre nœuds voisins)
positions virtuelles après
que 100 messages ont
traversé le réseau
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positions géographiques
des nœuds
positions virtuelles après
que 500 messages ont
traversé le réseau
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Coord. Virtuelles - Convergence [1/2]
longueur
chemin trouvé
GFG
longueur
plus court chemin
GFG sur positions
réelles (i.e.
localisation parfaite
des nœuds)
routage 3rules sur
positions virtuelles
1.10
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Coord. Virtuelles - Convergence [2/2]
Preuve : les coordonnées virtuelles s’alignent
0 messages sent
100
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500
300,000
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Coord. Virtuelles - Efficacité
15 ans × 2 messages/jour/nœud × 100 nœuds ≈ 1 million messages
 63.3% de consommation en moins
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Coord. Virtuelles - Robustesse
200 nœuds
aléatoirement
déployés
60 nœuds
aléatoirement
détruits
60 nœuds
aléatoirement
déployés
temps
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Plan
1 Accès au Medium
• Etat de l’Art
• Proposition : 1-hopMAC
2 Routage
• Routage géographique
• Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles
3 Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales
• Sense&Sensitivity
4 Conclusions et Perspectives
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Intégration des Propositions
Cross-layering
 routage 3rules et Coordonnées Virtuelles
 1-hopMAC v2 (liste complète de voisins)
Coordonnées Virtuelles
du nœud A
réveil
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Décision
de routage
WSN430
(développé au CITI)
données
20/30
http://senseandsensitivity.rd.francetelecom.com/
10m
envoi toutes
les 7.5 minutes
en moyenne
nœud puits
68 intérieur
+ 18 extérieur
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86 nœuds
nœud puits
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Stabilité des liens radio entre voisins
Puissance d’un lien
fortement corrélé avec
Probabilité de succès
Liens représentatifs:
écart-type moyen de la
puissance est de 1.04
(en dBm, sur 120 liens)
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Impact sur le voisinage
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Robustesse de la Solution de Routage [1/4]
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Robustesse de la Solution de Routage [2/4]
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Robustesse de la Solution de Routage [3/4]
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Robustesse de la Solution de Routage [4/4]
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Plan
1 Accès au Medium
• Etat de l’Art
• Proposition : 1-hopMAC
2 Routage
• Routage géographique
• Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles
3 Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales
• Sense&Sensitivity
4 Conclusions et Perspectives
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grand nombre de nœuds, faible trafic
Analyse, Simulation, Expérimentation
Conclusions
• Routage géographique adapté aux RdC
• problème de robustesse avec
coordonnées réelles
routage 3rules sur Coordonnées Virtuelles
• échantillonnage de préambule est la
technique d’accès au médium la plus
efficace
• découverte de voisinage entièrement à
la demande
1-hopMAC
Observations expérimentales montrent la
dynamique du graphe de connectivité.
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Perspectives
Aborder la couche MAC avec un angle autre que l’énergie:
• Qualité de Service (latence, fiabilité)
• Comparaison des différentes approches sur ces nouveaux critères
routage
MAC
PHY
• 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.
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Publications
Brevets
• 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
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T. Watteyne, Auto-Organisation
en Fabrice
Energie pourValois,
RdC
Lu, David Simplot-Ryl,
Stéphane Efficace
Ubéda,
Tim Winter, Fei Yang.
Analyse, Simulation, Expérimentation
complémentarité
• 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
EM2420
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WSN430
(développée au CITI)
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Echantillonnage de Préambule
C
B
S
A
≥ période d’écoute
période d’écoute
DATA
émetteur S
récepteur A
récepteur B
micro-trame
• décompte
• adresse destination
DATA
récepteur C
Echantillonnage de préambule à micro-trames
• préambule découpé
• micro-trame: décompte et adresse destination
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Comparaison analytique entre MACs
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Découverte de voisinage
Etat de l’art
• envoi périodique de paquets Hello (couche routage)
• écoute du canal et maintien de tables de voisinage
A
B
S
S
…
…
B
S
A
C
S
C
…
 Réseau à faible trafic: inefficacité en énergie ?
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C
B
1-hopMAC v2 [1/2]
S
but: donner le temps à tous les nœuds de répondre en ouvrant des fenêtres de
contention successives
A
Dernière fenêtre libre,
envoi des données
Canal occupé, réponse
envoyée à la prochaine fenêtre
de contention
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1-hopMAC v2 [2/2]
Durée totale de contention CT vs. durée d’une fenêtre CW
durée totale de contention, CT
Nombre de
voisins
Nombre de
fenêtres de
contention
pour 5 voisins
CW
CT
3
9ms
31ms
4
10ms
46ms
5
14ms
62ms
6
17ms
74ms
7
16ms
88ms
8
19ms
103ms
9
22ms
118ms
durée d’une fenêtre de contention, CW
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Etat de l’Art
routage
MAC
Trouver un chemin multi-sauts en un
nombre de sauts réduit (élongation)
routage par
inondation
routage hiérarchique
PHY
routage géographique
!
?
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Routage Hiérarchique
Débit normalisé du réseau
Clustering
• grouper les nœuds
• nœud leader par cluster
• maintien de la structure
Nombre de Clusters
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Planarisation du Graphe
but: retirer « logiquement » les liens qui se croisent.
• liens ne se croisent pas
• GFG garantit la
délivrance
graphe non planaire
transformée de Gabriel
(localisée)
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graphe planaire associé
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Planarisation du Graphe
• GFG échoue lorsque le graphe n’est pas planaire
E
E
H
H
D
D
G
G
F
graphe non-planaire
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F
Graphe planaire associe
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Coordonnées Réelles et Virtuelles
Coordonnées
Réelles
• représentent les positions
géographiques des nœuds
• problème des hypothèses non
réalistes pour le routage
Coordonnées
Virtuelles
• 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)
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Utilisation de puits multiples [1/2]
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Utilisation de puits multiples [2/2]
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Coord. Virtuelles - Convergence [3/3]
virtual coord.
real coord.
Preuve (étape 2): est-ce que ces coord. virtuelles s’alignent correctement ?


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

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Observations de Propagation
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