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 mesure d’une valeur physique traitement de cette valeur communication sans-fil Internet 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… 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 ? T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Plan 1 2 3 4 Accès au Medium Routage Etat de l’Art Proposition : 1-hopMAC Routage Routage géographique Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales Sense&Sensitivity Conclusions et Perspectives 2 3 5 min 4 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Etat de l’Art RdC Urbains routage MAC Arbitrer l’accès au medium partagé: Efficacité en Energie Qualité de Service (délai, fiabilité) Equité Capacité du réseau MAC S A B C PHY Ordonnancement Echantillonnage de préambule Synchronisation de périodes actives ≥ période d’écoute Synchronisation (énergie, bande passante) période d’écoute réveil données émetteur S récepteur A récepteur B récepteur C DATA Résistance à la charge du réseau Adaptation aux changements de topologie DATA SMAC, Sohrabi TSMP, Pister T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC RdC Urbains

Notre proposition: 1-hopMAC extension de l’échantillonnage de préambule découverte des voisins à la demande (≠ paquets Hello) réveil découverte données 1-hopMAC v2 But: identifier tous les voisins S A B C 1-hopMAC v1 But: identifier le voisin avec la plus petite métrique S A [0.1] B [0.2] C [0.6] T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

1-hopMAC v1 Idée: le voisin de plus petite métrique répond en premier B C Idée: le voisin de plus petite métrique répond en premier après la première réponse, le nœud initiateur arrête d’écouter D S réveil données ACK 0.1×D d xA xB N métrique βA=0.1 ACK 0.2×D métrique βB=0.2 ACK 0.6×D métrique βC=0.6 Problème: probabilité de collision avec le premier message (≠ ALOHA) T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

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 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

1-hopMAC v1 x=D.β1/2.3 pas nécessairement uniformément distribués fonction Métrique du nœud i temps d’attente x=D.β1/4 x=D.β1/3 x=D.β1/2 x=D.β1/1 Uniformément distribuées pas nécessairement uniformément distribués probabilité de collision avec le premier message Taille de la fenêtre de contention x=D.β1/1 x=D.β1/2.3 -40% x=D.β1/2 x=D.β1/3 x=D.β1/4 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Plan 1 2 3 4 Accès au Medium Routage Etat de l’Art Proposition : 1-hopMAC Routage Routage géographique Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales Sense&Sensitivity Conclusions et Perspectives 2 3 20 min Energie proportionnelle au nombre de sauts 4 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Routage géographique est une solution adaptée graphe planaire mode glouton GFG, Stojmenović ? mode face Pour les domaines d’application considérés: grand nombre de nœuds  pas d’état (stateless) faible charge  pas de maintien continu de structure Routage géographique est une solution adaptée GG T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Notre proposition: routage 3rules Idée: enregistrer la séquence de nœuds traversés dans le paquet version localisée de recherche en profondeur d’abord ne jamais envoyer deux fois le même message au même nœud; renvoyer un message à un voisin que s’il n’a aucun autre voisin avec qui il n’a jamais communique; renvoyer le message vers le voisin qui m’a envoyé le message en dernier. 1er choix 2nd choix jamais simulation    Garantit la délivrance sur un graphe arbitraire stable T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Planarisation Localisée: Robustesse simulation simulation 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. T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Coordonnées Virtuelles positions géographiques des nœuds 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 positions virtuelles après que 500 messages ont traversé le réseau T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Coord. Virtuelles - Convergence [1/2] longueur chemin trouvé longueur plus court chemin GFG simulation GFG sur positions réelles (i.e. localisation parfaite des nœuds) routage 3rules sur positions virtuelles Limite depend du degre 1.10 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Coord. Virtuelles - Convergence [2/2] Preuve : les coordonnées virtuelles s’alignent 0 messages sent 100 500 300,000 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Coord. Virtuelles - Efficacité simulation simulation 15 ans × 2 messages/jour/nœud × 100 nœuds ≈ 1 million messages  63.3% de consommation en moins T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

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

Plan 1 2 3 4 Accès au Medium Routage Etat de l’Art Proposition : 1-hopMAC Routage Routage géographique Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales Sense&Sensitivity Conclusions et Perspectives 2 3 35 min 4 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

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

envoi toutes les 7.5 minutes en moyenne http://senseandsensitivity.rd.francetelecom.com/ 10m envoi toutes les 7.5 minutes en moyenne nœud puits 68 intérieur + 18 extérieur 86 nœuds T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC nœud puits

Stabilité des liens radio entre voisins expérimentation 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) T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

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

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

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

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

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

Plan 1 2 3 4 Accès au Medium Routage Etat de l’Art Proposition : 1-hopMAC Routage Routage géographique Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles Intégration des Propositions et Etudes Expérimentales Sense&Sensitivity Conclusions et Perspectives 2 3 40 min 4 T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Conclusions Analyse, Simulation, Expérimentation Routage géographique adapté aux RdC problème de robustesse avec coordonnées réelles routage 3rules sur Coordonnées Virtuelles grand nombre de nœuds, faible trafic 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. T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Perspectives routage MAC PHY Aborder la couche MAC avec un angle autre que l’énergie: Qualité de Service (latence, fiabilité) Comparaison des différentes approches sur ces nouveaux critères 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. 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 "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 Lu, David Simplot-Ryl, Stéphane Ubéda, Fabrice Valois, Tim Winter, Fei Yang. 45 min T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Analyse, Simulation, Expérimentation 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 complémentarité EM2420 WSN430 (développée au CITI) T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Echantillonnage de Préambule S A B C ≥ période d’écoute période d’écoute émetteur S DATA récepteur A micro-trame décompte adresse destination récepteur B DATA récepteur C Echantillonnage de préambule à micro-trames préambule découpé micro-trame: décompte et adresse destination T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

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

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 A C S S … C  Réseau à faible trafic: inefficacité en énergie ? T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

S A B C 1-hopMAC v2 [1/2] but: donner le temps à tous les nœuds de répondre en ouvrant des fenêtres de contention successives Dernière fenêtre libre, envoi des données Canal occupé, réponse envoyée à la prochaine fenêtre de contention T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Nombre de fenêtres de contention 1-hopMAC v2 [2/2] Durée totale de contention CT vs. durée d’une fenêtre CW analyse Nombre de voisins CW CT 3 9ms 31ms 4 10ms 46ms 5 14ms 62ms 6 17ms 74ms 7 16ms 88ms 8 19ms 103ms 9 22ms 118ms Nombre de fenêtres de contention durée totale de contention, CT pour 5 voisins durée d’une fenêtre de contention, CW T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

routage par inondation Trouver un chemin multi-sauts en un nombre de sauts réduit (élongation) routage Etat de l’Art MAC PHY routage par inondation routage géographique routage hiérarchique ? ! T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

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

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) graphe planaire associé T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Planarisation du Graphe GFG échoue lorsque le graphe n’est pas planaire E E H H D D G F G F Graphe planaire associe graphe non-planaire T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

Coordonnées Réelles et Virtuelles 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. l’élongation des chemins tend vers 1) T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

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

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

Coord. Virtuelles - Convergence [3/3] Preuve (étape 2): est-ce que ces coord. virtuelles s’alignent correctement ? real coord. virtual coord.     T. Watteyne, Auto-Organisation Efficace en Energie pour RdC

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