Ordonnancement d’Activité dans les Réseaux de Capteurs : l’Exemple de la Couverture de Surface

Ordonnancement d’Activitédans les Réseaux de Capteurs :l’Exemple de la Couverture de Surface Antoine Gallais

Projet de recherche POPS • POPS : Petits Objets Portables et Sécurisés • Téléphone portable, PDA, carte à puce, étiquette électronique, capteur sans fil, … • Etablir les communications entre ces objets Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Plan • Les réseaux de capteurs sans fils • L’ordonnancement d’activité • La couverture de surface par des ensembles connectés • La couverture simple • Hypothèses principales et revue de la littérature • Contributions • Les relais de couverture de surface • Un protocole affranchi de découverte de voisinage • Extension à la couverture multiple • Impact de l’aléa du canal radio • Amélioration d'algorithmes existants • Comportements de nos contributions • Conclusion et perspectives Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Les capteurs sans fils • Taille très réduite  ressources limitées • Capacité limitée de calcul • Autonomie énergétique réduite • Communication sans fil • Petite distance • Faible débit • Acquisition d’informations • Température, humidité, intensité lumineuse, etc. Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Réseaux de capteurs sans fils • Objectif : observation de zones distantes ou sensibles • Acquisition d’informations par les capteurs • Aucune infrastructure de communication • Communications multi-sauts entre les capteurs • Informations acheminées jusqu’aux stations de base Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Réseaux de capteurs sans fils : surveiller une forêt Station de base Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Réseaux de capteurs sans fils : économie d’énergie • Une fois déployés, les capteurs sont inaccessibles • Impossible de changer ou de recharger les batteries • Mener l’application aussi longtemps que possible • Ordonnancer l’activité des capteurs • Seul un sous-ensemble des capteurs participe à l’application • Un capteur peut être actif ou passif • Actif : participe aux communications et assure sa part de la tâche • Passif : économie d’énergie TinyNode 584 Source : http://www.tinynode.com/uploads/media/SH-TN584-103.pdf Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Comment désigner les capteurs actifs et passifs ? • Approche centralisée • Une entité décide du statut d’activité de chaque capteur (ex : la station de base) • Capteur 1 : passif • Capteur 2 : actif • ………………… • Capteur 9 : passif • Capteur 10 : actif Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Comment désigner les capteurs actifs et passifs ? • Principal inconvénient d’une approche centralisée • La connaissance de la topologie par l’entité centrale doit être parfaite • Difficulté et coût de la maintenance de ces réseaux très denses • Environnements plus propices aux pannes • Capteur 1 : actif • Capteur 2 : passif • ………………… Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Comment désigner les capteurs actifs et passifs ? • Approche localisée • Nul besoin d’infrastructure • Décisions simples ne nécessitant qu’une connaissance locale • But : obtenir un comportement global cohérent Actif ou passif ? Actif ou passif ? Actif ou passif ? Actif ou passif ? Actif ou passif ? Actif ou passif ? Actif ou passif ? Actif ou passif ? Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Comment maintenir la cohérence de l’application ? Passif Passif Passif • Changements réguliers d’activité  Topologie dynamique • Assurer que la tâche commune soit accomplie • L’exemple de la couverture de surface • Ensemble couvrant • Les capteurs actifs doivent couvrir la même surface que tous les capteurs déployés Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Comment maintenir la cohérence de l’application ? • Changements réguliers d’activité  Topologie dynamique • Assurer que la tâche commune soit accomplie • L’exemple de la couverture de surface • Ensemble connecté Tout capteur actif doit pouvoir communiquer avec une station puits • Collecte d’informations, remontées d’alertes Passif Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Objectif Passif Passif Passif • Solutions localisées pour • le maintien de la couverture de surface… • …par des ensembles connectés Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Hypothèses principales • Nœuds statiques et connaissant leurs positions • Modèle du disque unitaire pour • Zone couverte par un capteur, rayon de surveillance noté Rs • Communication entre deux capteurs • Deux nœuds sont dits « voisins de communication » si la distance qui les sépare est inférieure au rayon de communication, noté Rc • Densité du réseau : nombre moyen de nœuds par zone de communication Rc d Rs u v Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Quelles solutions localisées ? R d v ? u réponse ureste passif • Algorithmes aléatoires • Décisions d’activité prises aléatoirement • Algorithmes quasi-aléatoires (ex : PEAS, 2003) • Connaissance minimale de l’environnement • Nœuds initialement passifs • Réveil régulier de u et envoi d’un message « sonde » • Si réponse de la part d’un capteur v à distance d(u,v) < R, alors retour en mode passif, sinon actif jusqu’à épuisement • Aucune garantie de couverture ni de connexité pour les ensembles de nœuds actifs Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Prérequis pour une solution localisée exacte • Plusieurs méthodes d’évaluation locale de la couverture • Méthodes approximatives : points d’une grille ou aléatoires • Méthode exacte : intersections de cercles • Si tout point d’intersection entre 2 cercles, situé à l’intérieur de la zone de u, est couvert par un 3ème, alors la zone de u est couverte 1 2 U 3 4 Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

[Tian et Georganas, 2002] (TG) (x1,y1) (x5,y5) (x4,y4) (x3,y3) (x1,y1) (x2,y2) (x2,y2) (x3,y3) (x5,y5) (x4,y4) Rs2 Rs4 Rs1 Rs3 Rs5 Rs4 Rs2 Rs3 Rs5 Rs1 T2 T3 T4 T1 T3 T5 T4 T1 T2 T5 • Découverte de voisinage • Messages hello contenant la position • Evaluation de couverture et décision d’activité • Pour tout nœud u, fin du temps d’attente : • si couvert alors passif envoi d’un message de retrait • Sinon, actif sans envoi de message Découverte de voisinage Temps d’attente avant la décision Période d’activité (observation, collecte de données) Temps Voisins de u Voisins de u 1 2 5 U 3 4 Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

La connexité dans les approches localisées v u • Peu d’approches de couverture considèrent la connexité • [Zhang et Hou, 2003] • Ensemble supposé couvrant et connecté initialement • Si Rc > 2Rs alors couverture de zone  garantie de connexité Rc Rs < 2Rs Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

TG et la connexité • Aucune garantie de connexité • Rc = Rs • TG + [Jiang et Dou, 2004] (JD) = TGJD • Évaluation de couverture de TG gérant des rayons hétérogènes • TG augmenté du théorème permet l’obtention d’ensembles couvrants connectés lorsque Rc > 2Rs • Comment garantir la connexité indépendamment de Rc/Rs ? Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Une solution assurant couverture et connexité • Un ensemble couvrant déconnecté est inutile • Multipoint relays (MPR, [Adjih, Jacquet et Viennot, 2001]) • Sous-ensemble de voisins atteignant tous les voisins à deux sauts • Construction d’ensembles connectés grâce à une règle de décision • Un nœud est actif s’il possède le plus petit identifiant ou s’il est relai du voisin ayant le plus petit identifiant Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

SCR : Surface Coverage Relays [Carle, Gallais et Simplot-Ryl, 2005] • L’ensemble des relais SCR est un ensemble MPR (Rc = Rs) • couvre une zone aussi large que celle couverte par tous les voisins • Différentes méthodes de construction des ensembles SCR • Connexité garantie par la règle de décision • L’ensemble construit est couvrant Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Bilan sur TGJD et SCR • Décisions locales de faible complexité • Globalement, couverture et connexité garanties • Rc > 2Rs ou Rc = Rs • Critique • Coûts des communications >> ceux de protocoles (quasi)-aléatoires • Nombre moyen de messages émis par chaque nœud • TGJD : 1.9 (message hello + éventuel message de retrait) • SCR : 2 (message hello + message annonçant les relais) • Protocole aléatoire : 0 • Protocole à faible coût de communication qui ne soit pas pour autant aléatoire ? Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Un protocole sans découverte de voisinage • La phase de découverte du voisinage est coûteuse • Au moins la moitié du trafic de contrôle • Proposition • S’en affranchir tout en conservant les garanties de couverture et de connexité Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Connexité : enrichir le critère de décision • Connexité assurée • Lorsque Rc > 2Rs (TGJD) • Lorsque Rc = Rs (SCR) • [Dai et Wu, 2003] • Tout nœud dont les voisins sont connectés peut être retiré du réseau sans en altérer la connexité • Modification de l’évaluation de couverture • passif  couvert par un ensemble connecté • Indépendance vis-à-vis du rapport Rc/Rs D B C A D C B A Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Positive-only (PO) [Gallais, Carle, Simplot-Ryl et Stojmenovic 2006] (x4,y4) (x2,y2) (x5,y5) (x4,y4) (x3,y3) (x1,y1) (x2,y2) SR4 SR2 SR1 SR2 SR4 SR5 SR3 T2 T4 T5 T2 T4 T3 T1 • Construction d’une table de voisinage • Emissions de messages de retraits d’activité • Décision • Passif : envoi d’un message de retrait pas d’envoi de message • Actif : pas d’envoi de message envoi d’un message d’activité Découverte de voisinage Temps d’attente avant la décision Période d’activité (observation, collecte de données) Temps Voisins de u Voisins de u 2 U 4 Actif : envoi d’un message Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Positive-only(Rc = Rs) 1 ? 5 ? actif 1 2 7 actif 2 ? ? 6 6 actif 3 4 ? 3 passif 5 actif ? 7 4 ? actif actif Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Positif et Négatif(Rc = Rs) 1 5 actif 1 2 7 actif Passif 2 ? 6 6 actif 3 4 3 passif 5 actif ? 7 4 passif actif Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Les variantes du protocole • PO (« Positive-Only », seuls les nœuds actifs annoncent leur décision) • PN (Positif et Négatif, toute décision est annoncée) • Exploiter la participation aux communications • Réception de décisions d’activité plus tardives • S’ils peuvent être passifs, ils doivent envoyer un message de retrait • Deux nouvelles variantes • PR (Positif et Retrait) • Seuls les nœuds actifs annoncent leur décision, modifiable ensuite • PNR (Positif, négatif et retrait) • Chaque nœud annonce sa décision et les actifs peuvent se retirer Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Réduction du nombre de nœuds actifs (Rc = Rs) Connaissance incomplète du voisinage Nœuds actifs (%) Connaissance complète du voisinage Densité du réseau Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Forte réduction des coûts de communication Coûts de communication diminués d’au moins 40% Nombre moyen de messages émis par nœud Densité du réseau Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Conclusion sur la couverture simple • Connexité et couverture de surface garanties • Décisions locales simples • SCR • Solution localisée avec connexité et couverture comme un seul problème • Rc = Rs • PO, PN, PR et PNR • Indépendance Rc et Rs • Proportions compétitives de nœuds actifs • Réduction drastique des coûts de communication • Comment passer à la couverture multiple ? Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

La couverture multiple (ou k-couverture) : motivations • Couverture multiple ou k-couverture • « Tout point de la zone est observé par au moins k capteurs » • Augmenter la robustesse de l’application • Résistance aux pannes • Accroître la confiance des données récoltées • Meilleur reflet de la réalité • Identifier les fausses alertes au cours d’une surveillance • Ex : un seul capteur observant une augmentation soudaine de température tandis que cinq autres ne détectent rien • Pourtant, peu de solutions localisées Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Solutions existantes pour la k-couverture • Peu de solutions localisées • Dérivées d’algorithmes centralisés • Coûts de communication élevés • Extension des solutions localisées de couverture simple à des algorithmes de couverture multiple ? Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Comment aborder la k-couverture ? • Approche plate • Pour chaque point physique de la zone il existe k capteurs capables de l’observer • Approche par couches • Il existe k ensembles disjoints chacun couvrant une fois la zone Nœuds de couche 2 Nœuds de couche 1 • La zone est 3-couverte Nœuds de couche 3 Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Extension à l’aide d’une approche plate 1 2 U 3 4 • Modification de l’évaluation de la couverture • Tout nœud k-couvert peut décider d’être passif • Tous les mécanismes sont valables pour k • Tout point (aléatoire, grille intersection) doit être couvert par k voisins Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Avantages de l’approche plate • Modification de l’évaluation locale de couverture uniquement • Mécanismes de décision identiques (ex : TGJD) • Découverte de voisinage suivie d’un message de retrait si le nœud est couvert par l’ensemble des voisins encore présents • Adaptation : nœud passif  k-couvert par l’ensemble des voisins restants Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Approche par couches • k-couvert • k ensembles disjoints de voisins assurant chacun la couverture simple • Mécanisme d’évaluation de couverture identique • Non k-couvert • Actif et choix d’une couche d’activité • Comment choisir localement la couche à rejoindre ? Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Un protocole adaptatif [Gallais et Carle, 2007] 9 u (x6,y6) (x2,y2) (x8,y8) (x1,y1) (x4,y4) (x9,y9) (x5,y5) (x7,y7) (x3,y3) i=2 i=1 i=2 i=1 i=1 i=2 i=1 i=2 i=1 5 2 7 (x10,y10) i=3 4 8 1 6 3 10 • Décision prise au bout d’un temps d’attente • Si k-couvert alors passif sans envoi de message • Sinon, actif à la première couche non couvrante et envoi d’un message contenant le numéro de couche choisie • Exemple d’un nœud u avec k = 3 Temps Temps d’attente avant la décision Période d’activité (observation, collecte de données) Table de voisinage Nœuds de couche 1 couvrent la zone de u, Nœuds de couche 2 couvrent la zone de u, u décide d’être actif à la couche 3; Il envoie un message d’activité Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Avantages de l’approche par couches • Extension possible de nombreux algorithmes localisés • Partitionnement du réseau selon k couches • Choix de la couche d’activité • aléatoire • adaptatif • … • Imposer la connexité de chaque couche • Couverture multiple assurée par k ensembles connectés Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Conclusion sur la k-couverture • Solutions localisées pour la couverture multiple • Approches plates et par couches • Modification des mécanismes d’évaluation de couverture • Partitionnement du réseau en k ensembles disjoints • Extension possible de la majorité des algorithmes • Hétérogénéité de k • Evaluation de couverture locale • Intéressant lors de véritables déploiements Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Conclusion sur les solutions étudiées • Plusieurs propositions localisées • Couverture et connexité garanties • Extension à la k-couverture • En pratique, quels obstacles ? • Parmi les hypothèses posées • Disque unitaire pour les communications • Disque unitaire pour la zone de surveillance • Nœuds immobiles et positionnement parfait Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

Les limites du disque unitaire • Le modèle du disque unitaire (Unit Disk Graph, UDG) • Deux nœuds peuvent communiquer si la distance d qui les sépare est inférieure au rayon de communication Rc • Implications • Liens de communication déterministes • Deux nœuds communiquent toujours (u et v) ou jamais (v et w) • Aucun aléa lors des communications Rc w d2 d1 v u Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

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