Auto-Organisation Efficace en Energie pour Réseaux de Capteurs une approche transversale

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

2. Réseaux de Capteurs • grand nombre de nœuds • faible trafic • mesure d’une valeur physique • traitement de cette valeur • communication sans-fil Domaines d’application: monitoring environnemental, maison intelligente, surveillance industrielle, RdC urbains… 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)

3. 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. Plan 1 Accès au Medium • Etat de l’Art • Proposition : 1-hopMAC Routage • Routage géographique • Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles Intégrationdes Propositions et Etudes Expérimentales • Sense&Sensitivity Conclusions et Perspectives 2 3 4

5. routage Etat de l’Art MAC C B PHY • Arbitrer l’accès au medium partagé: • Efficacité en Energie • Qualité de Service (délai, fiabilité) • Equité • Capacité du réseau S A ≥ période d’écoute période d’écoute Ordonnancement Echantillonnage de préambule Synchronisation (énergie, bande passante) émetteur S DATA Synchronisation de périodes actives récepteur A Résistance à la charge du réseau récepteur B Adaptation aux changements de topologie récepteur C DATA données SMAC,Sohrabi TSMP,Pister réveil RdC Urbains

6. Notre proposition: 1-hopMAC B [0.2] B C [0.6] C • extension de l’échantillonnage de préambule • découverte des voisins à la demande (≠ paquets Hello) S S réveil découverte données A [0.1] A 1-hopMAC v1 But: identifier le voisin avec la plus petite métrique 1-hopMAC v2 But: identifier tous les voisins

7. 1-hopMAC v1 C B S Idée: • le voisin de plus petite métrique répond en premier • après la première réponse, le nœud initiateur arrête d’écouter A D S réveil données 0.1×D métrique βA=0.1 ACK 0.2×D métrique βB=0.2 N ACK 0.6×D métrique βC=0.6 ACK xB xA d Problème: • probabilité de collision avec le premier message (≠ ALOHA)

8. 1-hopMAC v1 Probabilité de collision si • βiuniformémentréparties • 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

9. 1-hopMAC v1 fonction temps d’attente Métrique du nœud i pas nécessairement uniformément distribués Uniformément distribuées x=D.β1/4 x=D.β1/1 x=D.β1/3 x=D.β1/2 x=D.β1/3 x=D.β1/2 -40% x=D.β1/1 x=D.β1/4 x=D.β1/2.3 probabilité de collision avec le premier message Taille de la fenêtre de contention

10. Plan 1 Accès au Medium • Etat de l’Art • Proposition : 1-hopMAC Routage • Routage géographique • Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles Intégrationdes Propositions et Etudes Expérimentales • Sense&Sensitivity Conclusions et Perspectives 2 3 4

11. Routage Géographique 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

12. 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. jamais 1er choix 2nd choix   simulation  • Garantit la délivrance sur un graphe arbitraire stable

13. Planarisation Localisée: Robustesse simulation simulation lorsque les nœuds ne connaissent pasparfaitement leur position lorsque les zones de communicationradio 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.

14. 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 géographiquesdes nœuds 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

15. Coord. Virtuelles - Convergence [1/2] • longueurchemin trouvé longueurplus court chemin GFG GFG sur positions réelles (i.e. localisation parfaite des nœuds) simulation routage 3rules sur positions virtuelles 1.10

16. Coord. Virtuelles - Convergence [2/2] Preuve : les coordonnées virtuelles s’alignent 0 messages sent 100 500 300,000

17. Coord. Virtuelles - Efficacité simulation simulation 15 ans × 2 messages/jour/nœud × 100 nœuds ≈ 1 million messages  63.3% de consommation en moins

18. Coord. Virtuelles - Robustesse 200 nœuds aléatoirement déployés simulation 60 nœuds aléatoirement détruits 60 nœuds aléatoirement déployés temps

19. Plan 1 Accès au Medium • Etat de l’Art • Proposition : 1-hopMAC Routage • Routage géographique • Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles Intégrationdes Propositions et Etudes Expérimentales • Sense&Sensitivity Conclusions et Perspectives 2 3 4

20. Intégration des Propositions • Cross-layering • routage 3rules et Coordonnées Virtuelles • 1-hopMAC v2 (liste complète de voisins) WSN430(développé au CITI) Décisionde routage Coordonnées Virtuelles du nœud A données réveil

21. http://senseandsensitivity.rd.francetelecom.com/ 10m envoi toutes les 7.5 minutes en moyenne nœud puits 68 intérieur + 18 extérieur 86 nœuds nœud puits

22. 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)

23. Impact sur le voisinage expérimentation

24. Robustesse de la Solution de Routage [1/4] expérimentation

25. Robustesse de la Solution de Routage [2/4] expérimentation

26. Robustesse de la Solution de Routage [3/4] expérimentation

27. Robustesse de la Solution de Routage [4/4] expérimentation

28. Plan 1 Accès au Medium • Etat de l’Art • Proposition : 1-hopMAC Routage • Routage géographique • Proposition : 3rules et Coordonnées Virtuelles Intégrationdes Propositions et Etudes Expérimentales • Sense&Sensitivity Conclusions et Perspectives 2 3 4

29. Conclusions • 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 Analyse, Simulation, Expérimentation Observations expérimentales montrent la dynamique du graphe de connectivité.

30. routage Perspectives MAC • 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 matérielCross-layering avec la couche matérielle. • IETF 6LoWPAN, utilisation de IPv6 dans un réseau IEEE802.15.4Maturité des solutions ? Impact et adaptation.

31. 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.

32. Analyse, Simulation, Expérimentation complémentarité EM2420 WSN430(développée au CITI) • Analyse • 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

33. Echantillonnage de Préambule C B S A ≥ 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

34. Comparaison analytique entre MACs

35. Découverte de voisinage A B S C  Réseau à faible trafic: inefficacité en énergie ? Etat de l’art • envoi périodique de paquets Hello (couche routage) • écoute du canal et maintien de tables de voisinage

36. 1-hopMAC v2 [1/2] C B but: donner le temps à tous les nœuds de répondre en ouvrant des fenêtres de contention successives S Dernière fenêtre libre, envoi des données A Canal occupé, réponse envoyée à la prochaine fenêtre de contention

37. 1-hopMAC v2 [2/2] Durée totale de contention CT vs. durée d’une fenêtre CW analyse Nombre de fenêtres de contention durée totale de contention, CT pour 5 voisins durée d’une fenêtre de contention, CW

38. routage Etat de l’Art MAC PHY Trouver un chemin multi-sauts en un nombre de sauts réduit (élongation) ! routage par inondation routage géographique ? routage hiérarchique

39. Routage Hiérarchique • Clustering • grouper les nœuds • nœud leader par cluster • maintien de la structure analyse Débit normalisé du réseau Nombre de Clusters

40. Planarisation du Graphe but: retirer « logiquement » les liens qui se croisent. • liens ne se croisent pas • GFG garantit la délivrance transformée de Gabriel (localisée) graphe non planaire graphe planaire associé

41. 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

42. Coordonnées Réelles et Virtuelles Coordonnées Réelles CoordonnéesVirtuelles • représentent les positions topologiques des nœuds • utilisables pour le routage (3rules; GFG non utilisable) • représentent les positions géographiques des nœuds • problème des hypothèses non réalistes pour le routage • 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)

43. Utilisation de puits multiples [1/2]

44. Utilisation de puits multiples [2/2]

45. Coord. Virtuelles - Convergence [3/3] Preuve (étape 2): est-ce que ces coord. virtuelles s’alignent correctement ? real coord. virtualcoord.    

46. Observations de Propagation