La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

Conception d’un prototype de plateforme pour l’étude d’aspects haut niveau dans un réseau de capteurs Mickaël Cartron, Olivier Sentieys, Olivier Berder.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "Conception d’un prototype de plateforme pour l’étude d’aspects haut niveau dans un réseau de capteurs Mickaël Cartron, Olivier Sentieys, Olivier Berder."— Transcription de la présentation:

1 Conception d’un prototype de plateforme pour l’étude d’aspects haut niveau dans un réseau de capteurs Mickaël Cartron, Olivier Sentieys, Olivier Berder IRISA / R2D2 ENSSAT Lannion

2 Projet Réseau de Capteurs 2 Introduction (1/5)  Les réseaux de capteurs •Objets communicants •Intégrés dans une zone d’intérêt •But : surveillance de zones  Caractéristiques •Ad hoc •Multi sauts •Débit faible •Très forte autonomie Plateforme MICA2 Notre objectif : maximisation de la durée de vie Plateforme Aphycare

3 Projet Réseau de Capteurs 3 Introduction (2/5)  Augmenter l’autonomie : sur quels paramètres est-il possible d’agir ? •Point de vue « traitement » Modulation, Puissance d’émission, Débit binaire par canal, Nombre de canaux disponibles, Largeur de bande utilisée Système de détection/correction d’erreurs, Système de répétition automatique, Taille des paquets Algorithmes de routage énergétiquement efficaces Accès au média / Physique Liaison Réseau Algorithmes distribués efficaces Application

4 Projet Réseau de Capteurs 4 Introduction (3/5)  Augmenter l’autonomie : sur quels paramètres est-il possible d’agir ? •Point de vue « circuit » (f, Vdd) CapteurA/DProcesseurCoprocesseurRadio RAMFlash GénérateurBatterie DC/DC conv. DVS

5 Projet Réseau de Capteurs 5 Introduction (4/5)  Interdépendance des paramètres est un casse-tête pour réaliser une optimisation (en se limitant à bas niveau) •Si on augmente le taux de transmission  La probabilité de collision diminue  Le taux d’erreur augmente  La consommation augmente •Si on augmente la puissance de la correction d’erreur  Le taux d’erreur diminue  La probabilité de collision augmente  La consommation augmente •Si on augmente la puissance d’émission  Le taux d’erreur diminue  La probabilité de collision augmente  La consommation augmente

6 Projet Réseau de Capteurs 6 Introduction (5/5)  On a énormément de paramètres qui ne sont pas « orthogonaux » •Optimisation difficile  Classification des paramètres •Paramètres liés au scénario applicatif •Paramètres liés aux choix technologiques •Paramètres non définis a priori  Il est nécessaire de faire des conjectures sur certaines valeurs de paramètres qui doivent être les plus réalistes possibles  Pour faire des conjectures correctes, il faut bien connaître les applications •Information échangée •Débits réellement nécessaires •Etc…

7 Projet Réseau de Capteurs 7 PLAN DE LA PRÉSENTATION  I - Étude de scénarios applicatifs  II - Plateforme Aphycare  III - Architecture logicielle du prototype •Nœud quelconque du réseau •Station de base  IV - Application à un problème concret  V - Conclusion et perspectives

8 Projet Réseau de Capteurs 8 Étude de scénarios applicatifs (1/7)  2 scénarios précis •« Mesures sur une zone d’intérêt » •« Détection et positionnement d’une cible active »  Évaluation des besoins •Quantité d’informations échangées •Puissance de calcul nécessaire •Quantité de mémoire nécessaire au traitement

9 Projet Réseau de Capteurs 9 (0,0) (1,5) (1,8) (4,2) (5,6) (8,4) (8,8) (11,3) Identifiants des nœuds = position géographique Station de base (puits de données) Simple répéteur Capteur/Répéteur (source de données) Type de nœuds  Exemple de réseau de capteurs Étude de scénarios applicatifs (2/7)

10 Projet Réseau de Capteurs 10  Application 1 : "Mesures sur une zone d'intérêt" (7,7) ?(7,7) (1,5) (7,7) (1,5) (5,6) (7,7) (5,6) (8,8) • La station de base (0,0) veut connaître la température en (7,7) • Le point (7,7) n'est pas à portée radio de la station de base • La station de base émet "temp(7,7)?" • Le répéteur (1,5) reçoit la requête • (1,5) n'est pas à proximité de (7,7) • (1,5) ré-émet "temp(7,7)?" dans la "bonne direction", vers (5,6) • Le capteur (5,6) reçoit la requête • Le capteur (5,6) va participer au calcul de la température, car il est près de (7,7) • (5,6) fait également participer (8,8) au calcul en lui envoyant la requête • (8,8) reçoit la requête Étude de scénarios applicatifs (3/7)

11 Projet Réseau de Capteurs 11  Application 1 : "Mesures sur une zone d'intérêt" (7,7) (5,6) (8,8) (7,7) (1,5) (5,6) (4,2) (7,7) (4,2) (0,0) • (8,8) va participer au calcul de la température, car il est près de (7,7) • (8,8) transmet sa valeur locale de température à (5,6) • (5,6) reçoit la valeur de (8,8) • (5,6) calcule la valeur en (7,7) en faisant une moyenne pondérée • (5,6) génère une réponse et l'envoie à (4,2) pour ne pas épuiser (1,5) • (4,2) reçoit la requête • (4,2) ré-émet le résultat à (0,0) • (0,0) reçoit le résultat Étude de scénarios applicatifs (4/7)

12 Projet Réseau de Capteurs 12  Application 2 : "Positionnement d'une cible active" Cible • On cherche à connaître la position instantanée d'une cible mobile active • La cible émet une trame en mode « diffusion locale » • infos : cohérence temporelle, numéro de cible, puissance d'émission • Les nœuds du voisinage estiment la distance avec la cible • Ils émettent chacun une trame en mode direct vers la cible • infos : cohérence temporelle, numéro de cible, distance, coordonnées locales • Dans un deuxième temps, les mêmes nœuds routent ces mêmes infos vers la station de base Étude de scénarios applicatifs (5/7)

13 Projet Réseau de Capteurs 13  « Multi-sauts (acquitté) »  « Inondation » Mise en évidence de 5 modes de transmission (6/7)

14 Projet Réseau de Capteurs 14  « Saut unique acquitté »  « Saut unique non acquitté »  « Diffusion locale » Mise en évidence de 5 modes de transmission (7/7)

15 Projet Réseau de Capteurs 15 PLAN  I - Étude de scénarios applicatifs  II - Plateforme Aphycare  III - Architecture logicielle du prototype •Nœud quelconque du réseau •Station de base  IV - Application à un problème concret  V - Conclusion et perspectives

16 Projet Réseau de Capteurs 16 La plateforme Aphycare (1/2)  Microcontrôleur 16 bits Texas Instrument MSP430 •Faible consommation / faible coût •2 Ko de RAM, 60 Ko de flash  Tête de communication Deltadore ou Chipcon CC1020 •Half duplex •Modulations FSK / GFSK / OOK, 860 Mhz •Taux de transmission bit maximum 3,6 Ko/s •Broche RSSI •Contrôle de la puissance (uniquement sur la version CC1020)

17 Projet Réseau de Capteurs 17 Architecture du réseau (2/2) N nœuds : Cartes Aphycare 1 station de base : Carte Aphycare + Carte Ethernut

18 Projet Réseau de Capteurs 18 PLAN  I - Étude de scénarios applicatifs  II - Plateforme Aphycare  III - Architecture logicielle du prototype •Nœud quelconque du réseau •Station de base  IV - Application à un problème concret  V - Conclusion et perspectives

19 Projet Réseau de Capteurs 19 Niveau physique Niveau liaison Niveau réseau Niveau application Gestion des timers Tâche applicative 1 Tâche applicative 2 Auto- position- nement Connaissance du voisinage Routage géographique Routage par inondation Dispatch Contrôle d'erreurs Driver du composant de communication Architecture logicielle d’un capteur (1/14)

20 Projet Réseau de Capteurs 20 Niveau physique Niveau liaison Niveau réseau Niveau application Simulation d'une horloge interne Tâche applicative 1 Tâche applicative 2 Auto- position- nement Connaissance du voisinage Routage géographique Routage par inondation Dispatch Contrôle d'erreurs Canal de communication par file de messages Unix Architecture logicielle d’un capteur (version simulation) (2/14)

21 Projet Réseau de Capteurs 21 mode_transmissiontype Structure des trames (3/14) Trame générique

22 Projet Réseau de Capteurs 22 Structure des trames (4/14) mode_transmissiontype Mode multi saut  Multi-sauts (acquitté)  Inondation mode_transmissiontype Mode inondation ID_trame source Num ack Destinataire Source Suivant

23 Projet Réseau de Capteurs 23 Structure des trames (5/14)  Saut unique acquitté  Saut unique non acquitté mode_transmissiontype Mode saut unique acqu. Num ack Destinataire Source mode_transmissiontype Mode saut unique non acqu. Destinataire Source

24 Projet Réseau de Capteurs 24 Structure des trames (6/14)  Diffusion locale mode_transmissiontype Mode diffusion locale Source

25 Projet Réseau de Capteurs 25  Les différents types de trames sont reliées par une union, ce qui permet de supprimer les recopies inutiles dans les buffers.  Les trames sont interprétées différemment en fonction du champ Type. typedef union { info_ACKAck ; info_CibleCible ; info_REQvoisREQvois ; info_REPvoisREPvois ; info_Signal Signal ; info_Distance_baseDistance_base ; info_Distance_cibleDistance_cible ; info_VagueVague ; } u_info ; Structure des trames (7/14)

26 Projet Réseau de Capteurs 26 Niveau physique Niveau liaison Niveau réseau Niveau application Gestion des timers Tâche applicative 1 Tâche applicative 2 Auto- position- nement Connaissance du voisinage Routage géographique Routage par inondation Dispatch Contrôle d'erreurs Driver du composant de communication Gestion des buffers (8/14)

27 Projet Réseau de Capteurs 27 Indique le nombre de tentatives d'envoi max. restant à réaliser Heure limite pour recevoir un acquittement Historique de fabrication du message Trame brute deadlinehistoriqueNombre d'envois crcsourcedestinatairetypemodeautre données ETAPE1 ETAPE2 ETAPE3 PRET Trame brute distance crcsourcedestinatairetypemodeautre données Distance estimée de l'émetteur Gestion des buffers (9/14) Buffer d’émission Buffer de réception

28 Projet Réseau de Capteurs 28 Gestion des timers Tâche applicative 1 Tâche applicative 2 Auto- position- nement Connaissance du voisinage Routage géographique Routage par inondation Dispatch Contrôle d'erreurs Driver du composant de communication Buffer RéceptionBuffer Émission Gestion optimisée des buffers (10/14)

29 Projet Réseau de Capteurs 29  Utilisation d'un ordonnanceur •ordonnancement fixe •non préemptif •très portable main(){ initialisations(); while(1){ PT_planificateur_d’accès(); PT_réception(); PT_émission(); PT_liaison(); PT_réseau(); PT_appli(); PT_gestion_timers(); } Tache 1 Tache 2 Tache 3 etc. Utilisation d’un ordonnanceur (11/14) [Dunkels, Schmidt, Voigt, “Using Protothreads for Sensor Nodes Programming”, 2005]

30 Projet Réseau de Capteurs 30 Module Kernel Program loader Multi-threading library Timer library Memory manager Event log replicator µIP TCP/IP stack Code AVR (taille en octets) Code MSP430 (taille en octets) RAM (taille en octets) *e + 2*p s b  e : nombre d'évènements  p : nombre de protothreads Optimisation de la mémoire (12/14)

31 Projet Réseau de Capteurs 31  Basé sur une amélioration du modèle MAPLAP •TX: Transmit •RX: Receive •AQ: Acquire •MN: Monitor •IL: Idle •[Lin, Rabaey, Power-Efficient Rendez-vous Schemes for Dense Wireless Sensor Networks, ICC, 2004] TXAQ MN ILRX Émetteur Récepteur MN/AQ/RX Réactivation TX IL Diagramme d'état du modèle MAPLAP Driver du composant de communication (13/14)

32 Projet Réseau de Capteurs 32  Contrôleur bas niveau •Prend en charge une procédure de réception ou d'émission •Contrôle l'activation et la désactivation du composant •Sa cohérence est contrôlée par la machine d’état décrite précédemment  Planificateur d'accès au média •Analyse le buffer d'émission et les horloges •Planifie les réveils de réception et d'émission •Simule la diffusion Planificateur d'accès au média Contrôleur bas niveau Buffer RéceptionBuffer Émission Driver du composant de communication (14/14)

33 Projet Réseau de Capteurs 33 PLAN  I - Étude de scénarios applicatifs  II - Plateforme Aphycare  III - Architecture logicielle du prototype •Nœud quelconque du réseau •Station de base  IV - Application à un problème concret  V - Conclusion et perspectives

34 Projet Réseau de Capteurs 34 Gestion des timers Tâche interface Tâche applicative 2 Auto- position- nement Connaissance du voisinage Routage géographique Routage par inondation Dispatch Contrôle d'erreurs Driver du composant de communication Plateforme AphyCare Carte Ethernut Liaison série Tâche interface Serveur web dynamique IEEE Réseau local Liaison Ethernet Station de base (1/2)

35 Projet Réseau de Capteurs 35  Liaison série carte Ethernut / plateforme Aphycare  Serveur web dynamique  Possibilité d’interroger le réseau  Possibilité de récupérer les réponses Station de base (2/2)

36 Projet Réseau de Capteurs 36 PLAN  I - Étude de scénarios applicatifs  II - Plateforme Aphycare  III - Architecture logicielle du prototype •Nœud quelconque du réseau •Station de base  IV - Application à un problème concret  V - Conclusion et perspectives

37 Projet Réseau de Capteurs 37 Exemples d’utilisation du prototype (1/12)  Étude de contraintes à bas niveau •La modélisation réaliste des contraintes haut niveau est difficile. •La précision des paramètres doit être aussi grande que possible, car l’optimisation des paramètres à bas niveau les présuppose connus. •Paramètres clés  Nombre de messages échangés  Probabilité de collisions  Etc…

38 Projet Réseau de Capteurs 38 Exemple : évaluation d’un gain en performance (2/12)  Considérons l’ensemble constitué des niveaux liaison, MAC et physique d’un système de communication  Modèle de l’énergie par bit transmis avec succès •BPSK, canal AWGN, codage canal Hamming ou convolutif •retransmission SACK, longueur de paquets lp

39 Projet Réseau de Capteurs 39 Exemple : évaluation d’un gain en performance (3/12)  Mise en évidence d'un point optimal de fonctionnement •D=10 m, Pbruit=-90 dBm, Paquets de 53 octets, ré-émission automatique : SACK, correction d'erreurs (viterbi, hamming) •couche physique adaptée •amplificateurs efficaces •modulation BPSK •fort intérêt à se situer à la puissance d’émission optimale •QUESTION : Quel gain de durée de vie gagne t’on réellement à être au point optimal ?

40 Projet Réseau de Capteurs 40 Évaluation d’un gain en performance (4/12)  Considérons un exemple de réseau formé de 27 nœuds disposés régulièrement, et d'une station de base  Simulation réalisée à l'aide de notre prototype de réseau de capteurs (version simulation)  Pas du réseau : 7 mètres

41 Projet Réseau de Capteurs 41 Évaluation d’un gain en performance (5/12)  Protocole d'exemple : mise à jour d'un réseau de capteurs •Phase 1 : inondation pour lancer la phase d'initialisation •Phase 2 : requête pour la connaissance du voisinage •Phase 3 : réponse à la requête •Phase 3 bis : acquittements de cette réponse •Phase 4 : enregistrement de chaque nœud auprès de la station de base •Phase 4 bis : acquittements du mode multi-hop

42 Projet Réseau de Capteurs 42 Évaluation d’un gain en performance (6/12)  Phase 1 : inondation initiale Sommes cumulées d’émissions de paquets

43 Projet Réseau de Capteurs 43 Évaluation d’un gain en performance (7/12)  Phase 2 : requête pour la connaissance du voisinage

44 Projet Réseau de Capteurs 44 Évaluation d’un gain en performance (8/12)  Phases 3 et 3 bis : réponse à la requête sur le voisinage

45 Projet Réseau de Capteurs 45 Évaluation d’un gain en performance (9/12)  Phases 4 et 4 bis : enregistrement de chaque nœud auprès de la station de base

46 Projet Réseau de Capteurs 46 Évaluation d’un gain en performance (10/12)  Phases 4 et 4 bis : enregistrement de chaque nœud auprès de la station de base Capteur le plus sollicité

47 Projet Réseau de Capteurs 47 Évaluation d’un gain en performance (11/12) Max. Moy ,1 Nombre de nœuds en fonction du nombre d’émissions

48 Projet Réseau de Capteurs 48 Évaluation d’un gain en performance (12/12)  Énergie dépensée par trame 1.6 mJ mJ Méthode d'optimisation globale adaptative 475 % de temps en plus avant l'épuisement du premier nœud Méthode indexée sur le pire cas 406 % de temps en plus avant l'épuisement du premier nœud 5.2 mJ Méthode indexée sur la puissance d'émission de 0 dBm

49 Projet Réseau de Capteurs 49 PLAN  I - Étude de scénarios applicatifs  II - Plateforme Aphycare  III - Architecture logicielle du prototype •Nœud quelconque du réseau •Station de base  IV - Application à un problème concret  V - Conclusion et perspectives

50 Projet Réseau de Capteurs 50 Conclusion et perspectives  Analyse fine des besoins applicatifs •Meilleure évaluation des contraintes qu’exercent les niveaux supérieurs sur les couches basses de la pile de protocole réseau •Bases pour une architecture adaptée à des réseaux de capteurs  Coprocesseur  Architecture mémoire intelligente

51 Projet Réseau de Capteurs 51 Bibliographie  R. Min, M. Bhardwaj, S.-H. Cho, E. Shih, A. Sinha, A. Wang, and A. Chandrakasan. “Low-Power Wireless Sensor Networks”. VLSI Design,  J. Rabaey, M. Ammer, J. da Silva, D. Patel, and S. Roundy. “PicoRadio supports ad hoc ultra-low power wireless networking”. In Computer, IEEE,  I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirci. “Wireless Sensor Networks: a survey”. In Computer Networks, IEEE,  A. Dunkels, B. Grönvall, and T. Voigt. “Contiki – a lightweight ans flexible operating system for tiny networked sensors”. In Proc. of the first IEEE Workshop on embedded Networked Sensors, Tampa, Florida, November  E.-Y.A Lin, J. Rabaey, and A. Wolisz. “Power-Efficient Rendez-vous Schemes for Dense Wireless Sensor Networks”, In Proc. of the ICC, 2004.


Télécharger ppt "Conception d’un prototype de plateforme pour l’étude d’aspects haut niveau dans un réseau de capteurs Mickaël Cartron, Olivier Sentieys, Olivier Berder."

Présentations similaires


Annonces Google