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

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

2 2/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Réseaux de Capteurs Internet Domaines dapplication: monitoring environnemental, maison intelligente, surveillance industrielle, RdC urbains… mesure dune valeur physique traitement de cette valeur communication sans-fil Similaires aux réseaux ad hoc pas dinfrastructure 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 3/30 T. 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 ?

4 4/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Plan Accès au Medium Etat de lArt Proposition : 1-hopMAC Routage Routage géographique Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales Sense&Sensitivity Conclusions et Perspectives

5 5/30 S A B C T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Etat de lArt Arbitrer laccès 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, Pister SMAC, Sohrabi RdC Urbains période découte DATA émetteur S récepteur A récepteur B récepteur C réveil données Synchronisation (énergie, bande passante) Adaptation aux changements de topologie Résistance à la charge du réseau

6 6/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Notre proposition: 1-hopMAC extension de léchantillonnage de préambule découverte des voisins à la demande ( paquets Hello) découverte réveil données 1-hopMAC v1 But: identifier le voisin avec la plus petite métrique S A [0.1] B [0.2] C [0.6] 1-hopMAC v2 But: identifier tous les voisins S A B C

7 7/30 1-hopMAC v1 Idée: le voisin de plus petite métrique répond en premier après la première réponse, le nœud initiateur arrête découter S A B C réveil données S métrique β A =0.1 métrique β B =0.2 métrique β C =0.6 D ACK 0.2×D Problème: probabilité de collision avec le premier message ( ALOHA) d xAxA xBxB N ACK 0.6×D T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC ACK 0.1×D

8 8/30 1-hopMAC v1 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC 3 étapes: probabilité en fonction de D et x first =min(x i ) densité de probabilité de x first probabilité en fonction de D Probabilité de collision si β i uniformément réparties x i proportionnel à β i

9 9/30 Uniformément distribuées pas nécessairement uniformément distribués x=D.β 1/4 x=D.β 1/3 x=D.β 1/2 x=D.β 1/1 probabilité de collision avec le premier message Taille de la fenêtre de contention 1-hopMAC v1 Métrique du nœud i fonction temps dattente T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC x=D.β 1/1 x=D.β 1/2 x=D.β 1/3 x=D.β 1/4 x=D.β 1/ %

10 10/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Plan Accès au Medium Etat de lArt Proposition : 1-hopMAC Routage Routage géographique Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales Sense&Sensitivity Conclusions et Perspectives

11 11/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Routage Géographique mode glouton mode face ? graphe planaire GFG, Stojmenović Pour les domaines dapplication considérés: grand nombre de nœuds pas détat (stateless) faible charge pas de maintien continu de structure Routage géographique est une solution adaptée

12 12/30 T. 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 dabord 1.ne jamais envoyer deux fois le même message au même nœud; 2.renvoyer un message à un voisin que sil na aucun autre voisin avec qui il na jamais communique; 3.renvoyer le message vers le voisin qui ma envoyé le message en dernier. jamais 1 er choix2 nd choix simulation

13 13/30 T. 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 pas parfaitement leur position lorsque les zones de communication radio ne sont pas circulaires simulation

14 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 géographiques des nœuds T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

15 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 longueur chemin trouvé longueur plus court chemin

16 16/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Coord. Virtuelles - Convergence [2/2] Preuve : les coordonnées virtuelles salignent 0 messages sent100300,000500

17 17/30 T. 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 simulation

18 18/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Coord. Virtuelles - Robustesse temps simulation 200 nœuds aléatoirement déployés 60 nœuds aléatoirement détruits 60 nœuds aléatoirement déployés

19 19/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Plan Accès au Medium Etat de lArt Proposition : 1-hopMAC Routage Routage géographique Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales Sense&Sensitivity Conclusions et Perspectives

20 20/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Intégration des Propositions Cross-layering routage 3rules et Coordonnées Virtuelles 1-hopMAC v2 (liste complète de voisins) WSN430 (développé au CITI) réveildonnées Coordonnées Virtuelles du nœud A Décision de routage

21 21/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC 68 intérieur + 18 extérieur 86 nœuds nœud puits 10m envoi toutes les 7.5 minutes en moyenne

22 22/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Stabilité des liens radio entre voisins expérimentation Puissance dun lien fortement corrélé avec Probabilité de succès Liens représentatifs: écart-type moyen de la puissance est de 1.04 (en dBm, sur 120 liens)

23 23/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Impact sur le voisinage expérimentation

24 24/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Robustesse de la Solution de Routage [1/4] expérimentation

25 25/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Robustesse de la Solution de Routage [2/4] expérimentation

26 26/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Robustesse de la Solution de Routage [3/4] expérimentation

27 27/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Robustesse de la Solution de Routage [4/4] expérimentation

28 28/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Plan Accès au Medium Etat de lArt Proposition : 1-hopMAC Routage Routage géographique Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales Sense&Sensitivity Conclusions et Perspectives

29 29/30 Analyse, Simulation, Expérimentation T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Conclusions échantillonnage de préambule est la technique daccès 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. grand nombre de nœuds, faible trafic

30 30/30 Aborder la couche MAC avec un angle autre que lénergie: Qualité de Service (latence, fiabilité) Comparaison des différentes approches sur ces nouveaux critères T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Perspectives PHY MAC routage Coordonnées Hybrides, utiles à la fois pour lapplication (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: IEEE , nouvelles fonctionnalités offertes par le matériel Cross-layering avec la couche matérielle. IETF 6LoWPAN, utilisation de IPv6 dans un réseau IEEE Maturité des solutions ? Impact et adaptation.

31 31/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC 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 "Kumars, Zipfs and Other Laws: How to Structure a Large-Scale Wireless Network ?," Annals of Telecommunications, vol.63, number 5-6, pp , 4 June 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 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 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 Conférences Internationales (9) DCOSS08 (work-in-progress), GLOBECOM07, PIMRC07 (2 papiers), European Wireless07, BodyNets07, IWWAN06, InterSense06, MASCOTS05. Tutoriels donnés en Conférences Internationales VTC 2008-Fall (demi-journée, 7 participants), WPMC08 (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 32/30 Analyse, Simulation, Expérimentation Analyse Outils statistiques Chaines de Markov Simulation (GTSNetS) Simulateur à événements discrets Passage à léchelle Modèles de propagation, capteur, environnement physique Expérimentation Environnement de développement Think T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC complémentarité EM2420WSN430 (développée au CITI)

33 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 découte DATA micro-trame décompte adresse destination Echantillonnage de préambule à micro-trames préambule découpé micro-trame: décompte et adresse destination

34 34/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Comparaison analytique entre MACs

35 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 lart envoi périodique de paquets Hello (couche routage) écoute du canal et maintien de tables de voisinage

36 36/30 T. 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 B C

37 37/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC 1-hopMAC v2 [2/2] Durée totale de contention CT vs. durée dune fenêtre CW pour 5 voisins Nombre de fenêtres de contention Nombre de voisins CWCT 39ms31ms 410ms46ms 514ms62ms 617ms74ms 716ms88ms 819ms103ms 922ms118ms analyse durée dune fenêtre de contention, CW durée totale de contention, CT

38 38/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Etat de lArt Trouver un chemin multi-sauts en un nombre de sauts réduit (élongation) PHY MAC routage routage par inondation routage hiérarchique routage géographique ? !

39 39/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Routage Hiérarchique Clustering grouper les nœuds nœud leader par cluster maintien de la structure Débit normalisé du réseau Nombre de Clusters analyse

40 40/30 T. 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 41/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Planarisation du Graphe GFG échoue lorsque le graphe nest pas planaire D H G F E D H G F E graphe non-planaire Graphe planaire associe

42 42/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Coordonnées Réelles et Virtuelles Coordonnées Réelles Coordonnées Virtuelles 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. lélongation des chemins tend vers 1)

43 43/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Utilisation de puits multiples [1/2]

44 44/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Utilisation de puits multiples [2/2]

45 45/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Coord. Virtuelles - Convergence [3/3] Preuve (étape 2): est-ce que ces coord. virtuelles salignent correctement ? real coord. virtual coord.

46 46/30 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC Observations de Propagation


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