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MaCARI : Une méthode daccès déterministe et économe en énergie pour les réseaux de capteurs sans fil Université Blaise Pascal Laboratoire LIMOS Équipe.

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1 MaCARI : Une méthode daccès déterministe et économe en énergie pour les réseaux de capteurs sans fil Université Blaise Pascal Laboratoire LIMOS Équipe Réseaux et Protocoles Gérard CHALHOUB Directeur de thèse : Pr. Michel MISSON Le 7 décembre 2009

2 Gérard CHALHOUB2 Plan 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 techniques utilisées, –IEEE et ZigBee. 3.Description de la contribution : –Protocole MaCARI. 4.Évaluation : –Simulation, prototype et étude analytique. 5.Conclusion et perspectives.

3 Gérard CHALHOUB3 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 dénergie. Réseau de lentreprise Unité de contrôle Réseau de capteurs sans fil Passerelle

4 Gérard CHALHOUB4 1.2 Domaines dapplication 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.

5 Gérard CHALHOUB5 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 lintérieur), Consommation quasiment égale en émission quen réception.

6 Gérard CHALHOUB6 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 léconomie dénergie et garantissant une qualité de service pour un trafic prioritaire.

7 Gérard CHALHOUB7 1.5 Pile OCARI Couche physique IEEE Couche application (profils applicatifs) Couche réseau (SERENA, EOLSR) Couche MAC Télit : Partie du code LRI : Consommation Énergétique Gestion daccès intra-étoile Gestion globale daccès

8 Gérard CHALHOUB8 1.6 Profil dun 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 dapplication).

9 Gérard CHALHOUB9 1.7 Réseau OCARI Unité de contrôle Îlot 1 Îlot 2 Îlot 3

10 Gérard CHALHOUB Objectif de la thèse Économie dénergieDéterminisme Faire dormir les nœuds et éviter les sources de consommation énergétique, Garantir laccès au médium sous un délai borné. Conception et validation dune méthode daccès au médium économe en énergie et déterministe pour les RCSF. Antagonisme : garantir la réception et faire dormir les nœuds

11 Gérard CHALHOUB 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)

12 Gérard CHALHOUB Protocoles MAC pour les RCSF TDMA (Time Division Multiple Access) –Pour : Accès garanti –Contre : Algorithmes complexes (centralisés, passage à léchelle difficile) CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) –Pour : Algorithmes simples (décentralisés, passent à léchelle) –Contre : Accès non garanti Hybrides : combinent TDMA et CSMA/CA

13 Gérard CHALHOUB 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 dactivité, –Les nœuds utilisent CSMA/CA de avec RTS/CTS et se réveillent à la fin de chaque échange pour savoir sils sont concernés par léchange suivant. activitésommeilactivitésommeil TDMACSMA/CA

14 Gérard CHALHOUB IEEE /ZigBee

15 Gérard CHALHOUB Couche MAC IEEE Supertrame (période dactivité) Période dinactivité Coordinateur du PAN Coordinateur Feuille

16 Gérard CHALHOUB 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

17 Gérard CHALHOUB Problèmes du cluster-tree A B Collisions de beacons GTS non garantis A B Période dinactivité

18 Gérard CHALHOUB18 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 et ZigBee. 3.Description de la contribution : –Protocole MaCARI. 4.Evaluation : –Simulation, prototype et étude analytique. 5.Conclusion et perspectives.

19 Gérard CHALHOUB Topologie dun îlot OCARI Coordinateur du PAN Coordinateur Feuille Étoile

20 Gérard CHALHOUB Cycle global de MaCARI Segmentation temporelle en 3 périodes : –Période de synchronisation : partager une même vue du temps, –Période dactivité : échanger les données applicatives, Récolte intra-étoile ([T 1 ; T 2 ]), Routage inter-coordinateurs ([T 2 ; T 3 ]). –Période dinactivité : économiser de lénergie. Synchro. Récolte intra-étoile RoutageInactivité Cycle global

21 Gérard CHALHOUB21 Propagation sur larbre, Initiée par le CPAN (A dans lexemple), Ordre denvoi à respecter (A, B, C, D, E, F, G). 3.3 Période de synchronisation ABCDEFGABCDEFG T0T0 T1T1 A BC DEFG Cascade de beacons T2T2 T3T3

22 Gérard CHALHOUB22 Intervalles intra-étoile, Relais entre coordinateurs père-fils, Séquencement des périodes dactivité. 3.4 Période intra-étoile et relais ABCDEFGABCDEFG T1T1 T2T2 A BC DEFG T0T0 T3T3 T3T3

23 Gérard CHALHOUB Délai borné A B C DEFG ABCDEFGABCDEFG ABCDEFGABCDEFG ABCDEFGABCDEFG Routage arborescent Cycle n Cycle n+1 Cycle n+2

24 Gérard CHALHOUB Routage [T 2 ; T 3 ] Vérifier la table de voisinage pour prendre des raccourcis A BC DEFG

25 Gérard CHALHOUB25 Prototypage sur les cartes B2400ZB-Tiny : 4.1 Évaluation sous trois formes Simulation sous NS2 : Analytique :

26 Gérard CHALHOUB Simulation Implémentation du protocole MaCARI en tant que couche 2 (y compris le CSMA/CA slotté), Implémentation dun modèle de propagation paramétré à partir de mesures (ITU-R P1238-4), Implémentation dune couche physique qui gère les collisions et leffet de capture, Implémentation de deux protocoles de routage : routage hiérarchique et routage hiérarchique avec raccourcis.

27 Gérard CHALHOUB Démarche dévaluation Comparaison avec une configuration de beacon-only period du task groupe, Montrer lapport des intervalles de relais. Beacon-only MaCARI sans Intervalles de relais MaCARI Synchro Intra-étoile + routage Routage Intra-étoile Relais garanti

28 Gérard CHALHOUB 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 décran dun scénario 4 de simulation Génération de trafic : toutes les feuilles, 16 trames par feuille, 1 trame par seconde, 22 octets par trame.

29 Gérard CHALHOUB Nombre de collisions (simulation) Effet de la segmentation, Le relais garanti diminue la contention durant la période de routage. Nombre de collisions par trame

30 Gérard CHALHOUB Quantité de trafic (simulation) Nombre doctets reçus Nombre doctets envoyés Amélioration nette de lutilisation du medium, 20 Ko reçus de plus entre le point A et point B. A B

31 Gérard CHALHOUB 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). SimulationPrototype

32 Gérard CHALHOUB Délai de bout-en-bout : simulation Nombre de trames Délai en seconde Délai dépasse la durée dun cycle (1.8 secondes) dû au report des trames.

33 Gérard CHALHOUB Délai de bout-en-bout : prototype Nombre de trames Délai en seconde Convergence avec les résultats de simulation.

34 Gérard CHALHOUB Évaluation du gain énergétique Hypothèses dévaluation : –Deux niveaux de consommation (tout ou rien), –Écoute, réception et envoi : consommation équivalente, –La consommation du changement détat nest pas prise en compte. Ceci nous permet dévaluer dune manière relative la consommation énergétique de MaCARI, Nous avons choisi une configuration de lapproche beacon-only period proposée par le task group 15.4btask group 15.4b

35 Gérard CHALHOUB Gain énergétique (analytique) 0[T 1 ; T 3 ]/2[T 1 ; T 3 ][T 1 ; T 3 ]*2 Ratio du gain énergétique Différentes valeurs de la période dinactivité [T 3 ; T 0 ],période dinactivité 8 feuilles actives par cycle et par coordinateur.

36 Gérard CHALHOUB 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 dune période dactivité). Durée des intervalles en fonction de la taille du réseau

37 Gérard CHALHOUB Taille du réseau et délai borné Point A : pour [T 2 ; T 3 ] = [T 1 ; T 2 ], nous pouvons avoir un réseau de 5 étoiles avec 8 feuilles actives par étoile par cycle. A [T 1 ; T 2 ]/4[T 1 ; T 2 ]/2[T 1 ; T 2 ][T 1 ; T 2 ]*2 Nombre détoiles

38 Gérard CHALHOUB Vérification par simulation 5 étoiles avec 8 feuilles actives par étoile, Intra-étoile 50 ms et relais 20 ms, Cycle global de 748 ms.

39 Gérard CHALHOUB Vérification par simulation 100 trames envoyées (100 trames reçues), Production périodique dune trame par seconde, Chacune des trames est reçue en moins dune seconde. Délai en seconde Nombre de trames

40 Gérard CHALHOUB 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.

41 Gérard CHALHOUB Vérification par simulation 100 trames envoyées (100 trames reçues), Production périodique dune trame par seconde, Chacune des trames est reçue en moins dune seconde. Délai en seconde Nombre de trames

42 Gérard CHALHOUB Conclusion La segmentation temporelle des activités dans un RCSF tel que OCARI conduit à : –Une amélioration de lutilisation du canal, –Une économie dénergie pour lensemble des nœuds du réseau, –Une qualité de service en terme daccès déterministe et de délai borné de bout-en-bout. Cette solution est centralisée et les activités sont séquentielles.

43 Gérard CHALHOUB Conclusion CollisionsEnvois 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 dactivité 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 dactivité Prise en charge par SERENA pour les coordinateurs

44 Gérard CHALHOUB Perspectives à court terme Améliorer laccès au médium durant [T 2 ; T 3 ] 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.

45 Gérard CHALHOUB Perspectives à long terme Paralléliser les activités durant : [T 0 ; T 1 ] et [T 1 ; T 2 ] en appliquant une réutilisation spatiale (avec SERENA) –Attribution dune couleur par étoile. Gérer la mobilité ou le nomadisme de certains nœuds –Prise en compte du rondier. Adopter une solution décentralisée –Choix dune période dactivité en fonction des voisins.

46 Gérard CHALHOUB46 Fin A BC DEFG Merci de votre écoute.

47 Gérard CHALHOUB47 Animation

48 Gérard CHALHOUB48 Routage

49 Gérard CHALHOUB49 Publications 1. Pascale Minet, Saoucène Mahfoud, Gérard Chalhoub, Alexandre Guitton, Node coloring in a wireless sensor network with unidirectional links and topology changes, IEEE WCNC Avril Gérard Chalhoub, Alexandre Guitton, François Delobel, Michel Misson, Implementation details for the lower layers of an LP-WPAN simulation framework, IJWCS to appear 3. Khaldoun Al Agha, Gérard Chalhoub, Alexandre Guitton, Erwan Livolant, Saoucène Mahfoudh, Pascale Minet, Michel Misson, Joseph Rahmé, Thierry Val, Adrien Van Den Bossche, Crosslayering in an industrial wireless sensor network : case study of OCARI, JNW Décembre Gérard Chalhoub, Nassima Haddid, Alexandre Guitton, Michel Misson, Deference mechanisms significantly increase the MAC delay of slotted CSMA/CA, IEEE ICC Juin Gérard Chalhoub, Erwan Livolant, Alexandre Guitton, Adrien van den Bossche, Michel Misson, Thierry Val, Specifications and evaluation of a MAC protocol for a LP-WPAN, AHSWN Décembre 2008.

50 Gérard CHALHOUB50 Publications 6. Marc-Henry Bertin, Adrien van den Bossche, Gérard Chalhoub, Tuan Dang, Saoucène Mahfoudh, Joseph Rahmé, Jean-Baptiste Viollet, OCARI for industrial wireless sensor networks, IFIP Wireless Days, Novembre Gérard Chalhoub, Alexandre Guitton, Frédérique Jacquet, Antonio Freitas, Michel Misson, Medium Access Control for a Tree-Based Wireless Sensor Network : Synchronization Management, in IFIP Wireless Days, Novembre Gérard Chalhoub, Alexandre Guitton, Michel Misson, MAC specifications for a WPAN allowing both energy saving and guaranteed delay - Part A : MaCARI : a synchronized tree-based MAC protocol, IFIP WSAN Juillet Gérard Chalhoub, Antonio Freitas, Michel Misson, A Novel Approach for Simulating a Bio-Contamination Process, BIODEVICES Janvier 2008.

51 Gérard CHALHOUB51 Réseau OCARI


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