MaCARI : Une méthode d’accès déterministe et économe en énergie pour les réseaux de capteurs sans fil

1. MaCARI : Une méthode d’accès 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. Plan • Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) : • Définition des RCSF, • Contexte : projet OCARI, • Objectif de la thèse. • Les protocoles MAC dans les réseaux de capteurs sans fil : • Principales familles et techniques utilisées, • IEEE 802.15.4 et ZigBee. • Description de la contribution : • Protocole MaCARI. • Évaluation : • Simulation, prototype et étude analytique. • Conclusion et perspectives. Gérard CHALHOUB

3. 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 d’énergie. Réseau de l’entreprise Réseau de capteurs sans fil Unité de contrôle Passerelle Gérard CHALHOUB

4. 1.2 Domaines d’application • 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. Gérard CHALHOUB

5. 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 l’intérieur), • Consommation quasiment égale en émission qu’en réception. Gérard CHALHOUB

6. 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 l’économie d’énergie et garantissant une qualité de service pour un trafic prioritaire. Gérard CHALHOUB

7. 1.5 Pile OCARI Couche application (profils applicatifs) Couche réseau (SERENA, EOLSR) LRI : Consommation Énergétique Couche MAC Gestion globale d’accès Gestion d’accès intra-étoile Télit : Partie du code 802.15.4 Couche physique IEEE 802.15.4 Gérard CHALHOUB

8. 1.6 Profil d’un 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 d’application). Gérard CHALHOUB

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

10. 1.8 Objectif de la thèse • Conception et validation d’une méthode d’accès au médium économe en énergie et déterministe pour les RCSF. Antagonisme : garantir la réception et faire dormir les nœuds Gérard CHALHOUB

11. 2.1 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) Gérard CHALHOUB

12. 2.2 Protocoles MAC pour les RCSF • TDMA (Time Division Multiple Access) • Pour : • Accès garanti • Contre : • Algorithmes complexes (centralisés, passage à l’échelle difficile) • CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) • Pour : • Algorithmes simples (décentralisés, passent à l’échelle) • Contre : • Accès non garanti • Hybrides : combinent TDMA et CSMA/CA Gérard CHALHOUB

13. 2.3 Exemples de protocoles TDMA CSMA/CA • 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 d’activité, • Les nœuds utilisent CSMA/CA de 802.11 avec RTS/CTS et se réveillent à la fin de chaque échange pour savoir s’ils sont concernés par l’échange suivant. activité sommeil activité sommeil Gérard CHALHOUB

14. 2.4 IEEE 802.15.4/ZigBee Gérard CHALHOUB

15. 2.5 Couche MAC IEEE 802.15.4 Coordinateur du PAN Coordinateur Feuille Période d’inactivité Supertrame (période d’activité) Gérard CHALHOUB

16. 2.6 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. 45 62 27 23 44 48 43 0 22 65 64 41 1 2 8 6 7 Gérard CHALHOUB

17. 2.7 Problèmes du cluster-tree B Collisions de beacons A Période d’inactivité A Période d’inactivité B GTS non garantis Gérard CHALHOUB

18. Plan (rappel) • Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) : • Définition des RCSF, • Contexte : projet OCARI, • Objectif de la thèse. • Les protocoles MAC dans les réseaux de capteurs sans fil : • Principales familles et les techniques utilisées, • IEEE 802.15.4 et ZigBee. • Description de la contribution : • Protocole MaCARI. • Evaluation : • Simulation, prototype et étude analytique. • Conclusion et perspectives. Gérard CHALHOUB

19. 3.1 Topologie d’un îlot OCARI Coordinateur du PAN Coordinateur Feuille Étoile Gérard CHALHOUB

20. 3.2 Cycle global de MaCARI • Segmentation temporelle en 3 périodes : • Période de synchronisation : partager une même vue du temps, • Période d’activité : échanger les données applicatives, • Récolte intra-étoile ([T1; T2]), • Routage inter-coordinateurs ([T2; T3]). • Période d’inactivité : économiser de l’énergie. Synchro. Récolte intra-étoile Routage Inactivité Cycle global Gérard CHALHOUB

21. 3.3 Période de synchronisation A T2 T3 • Propagation sur l’arbre, • Initiée par le CPAN (A dans l’exemple), • Ordre d’envoi à respecter (A, B, C, D, E, F, G). B C D E F G Cascade de beacons A B C D E F G T0 T1 Gérard CHALHOUB

22. 3.4 Période intra-étoile et relais A T0 T3 T3 • Intervalles intra-étoile, • Relais entre coordinateurs père-fils, • Séquencement des périodes d’activité. B C D E F G A B C D E F G T1 T2 Gérard CHALHOUB

23. 3.5 Délai borné A B C D E F G Cycle n A B C A B C D E F G Cycle n+1 D E F G Routage arborescent A B C D E F G Cycle n+2 Gérard CHALHOUB

24. 3.6 Routage [T2; T3] • Vérifier la table de voisinage pour prendre des raccourcis A B C D E F G Gérard CHALHOUB

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

26. 4.2 Simulation • Implémentation du protocole MaCARI en tant que couche 2 (y compris le CSMA/CA slotté), • Implémentation d’un modèle de propagation paramétré à partir de mesures (ITU-R P1238-4), • Implémentation d’une couche physique qui gère les collisions et l’effet de capture, • Implémentation de deux protocoles de routage : routage hiérarchique et routage hiérarchique avec raccourcis. Gérard CHALHOUB

27. 4.3 Démarche d’évaluation • Comparaison avec une configuration de beacon-only period du task groupe, • Montrer l’apport des intervalles de relais. Synchro Intra-étoile + routage Beacon-only Synchro Routage MaCARI sans Intervalles de relais Intra-étoile Synchro Routage MaCARI Relais garanti Gérard CHALHOUB

28. 4.4 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 Génération de trafic : toutes les feuilles, 16 trames par feuille, 1 trame par seconde, 22 octets par trame. Capture d’écran d’un scénario 4 de simulation Gérard CHALHOUB

29. 4.5 Nombre de collisions (simulation) Nombre de collisions par trame • Effet de la segmentation, • Le relais garanti diminue la contention durant la période de routage. Gérard CHALHOUB

30. 4.6 Quantité de trafic (simulation) Nombre d’octets reçus B A Nombre d’octets envoyés • Amélioration nette de l’utilisation du medium, • 20 Ko reçus de plus entre le point A et point B. Gérard CHALHOUB

31. 4.7 Délai de bout-en-bout Simulation Prototype • 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). Gérard CHALHOUB

32. 4.8 Délai de bout-en-bout : simulation • Délai dépasse la durée d’un cycle (1.8 secondes) dû au report des trames. Nombre de trames Délai en seconde Gérard CHALHOUB

33. 4.9 Délai de bout-en-bout : prototype Nombre de trames Délai en seconde • Convergence avec les résultats de simulation. Gérard CHALHOUB

34. 4.10 Évaluation du gain énergétique • Hypothèses d’évaluation : • Deux niveaux de consommation (tout ou rien), • Écoute, réception et envoi : consommation équivalente, • La consommation du changement d’état n’est pas prise en compte. • Ceci nous permet d’évaluer d’une manière relative la consommation énergétique de MaCARI, • Nous avons choisi une configuration de l’approche beacon-only period proposée par le task group 15.4b Gérard CHALHOUB

35. 4.11 Gain énergétique (analytique) Ratio du gain énergétique • Différentes valeurs de la période d’inactivité [T3; T0], • 8 feuilles actives par cycle et par coordinateur. 0 [T1; T3]/2 [T1; T3] [T1; T3]*2 Gérard CHALHOUB

36. 4.12 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 d’une période d’activité). Durée des intervalles en fonction de la taille du réseau Gérard CHALHOUB

37. 4.13 Taille du réseau et délai borné • Point A : pour [T2; T3] = [T1; T2], nous pouvons avoir un réseau de 5 étoiles avec 8 feuilles actives par étoile par cycle. Nombre d’étoiles A [T1; T2]/4 [T1; T2]/2 [T1; T2] [T1; T2]*2 Gérard CHALHOUB

38. 4.14 Vérification par simulation • 5 étoiles avec 8 feuilles actives par étoile, • Intra-étoile 50 ms et relais 20 ms, • Cycle global de 748 ms. Gérard CHALHOUB

39. 4.15 Vérification par simulation • 100 trames envoyées (100 trames reçues), • Production périodique d’une trame par seconde, • Chacune des trames est reçue en moins d’une seconde. Nombre de trames Délai en seconde Gérard CHALHOUB

40. 4.16 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. Gérard CHALHOUB

41. 4.17 Vérification par simulation • 100 trames envoyées (100 trames reçues), • Production périodique d’une trame par seconde, • Chacune des trames est reçue en moins d’une seconde. Nombre de trames Délai en seconde Gérard CHALHOUB

42. 5.1 Conclusion • La segmentation temporelle des activités dans un RCSF tel que OCARI conduit à : • Une amélioration de l’utilisation du canal, • Une économie d’énergie pour l’ensemble des nœuds du réseau, • Une qualité de service en terme d’accès déterministe et de délai borné de bout-en-bout. • Cette solution est centralisée et les activités sont séquentielles. Gérard CHALHOUB

43. 5.2 Conclusion Gérard CHALHOUB

44. 5.3 Perspectives à court terme • Améliorer l’accès au médium durant [T2; T3] 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. Gérard CHALHOUB

45. 5.4 Perspectives à long terme • Paralléliser les activités durant : [T0; T1] et [T1; T2] en appliquant une réutilisation spatiale (avec SERENA) • Attribution d’une couleur par étoile. • Gérer la mobilité ou le nomadisme de certains nœuds • Prise en compte du rondier. • Adopter une solution décentralisée • Choix d’une période d’activité en fonction des voisins. Gérard CHALHOUB

46. Fin Merci Merci Merci A Merci Merci Merci Merci B C D E F G de votre écoute. Gérard CHALHOUB