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MaCARI : Une méthode d’accès déterministe et économe en énergie pour
les réseaux de capteurs sans filUniversité Blaise Pascal
Laboratoire LIMOSÉquipe Réseaux et Protocoles
Gérard CHALHOUB
Directeur de thèse : Pr. Michel MISSON
Le 7 décembre 2009
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Plan1. Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) :
– Définition des RCSF,– Contexte : projet OCARI,– Objectif de la thèse.
2. Les protocoles MAC dans les réseaux de capteurs sans fil :
– Principales familles et techniques utilisées,– IEEE 802.15.4 et ZigBee.
3. Description de la contribution :– Protocole MaCARI.
4. Évaluation : – Simulation, prototype et étude analytique.
5. Conclusion et perspectives.
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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
Unité
de contrôle
Réseau de capteurs sans fil
Passerelle
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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.
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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.
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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.
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1.5 Pile OCARI
Couche physique IEEE 802.15.4
Couche application (profils applicatifs)
Couche réseau (SERENA, EOLSR)
Couche MAC
Télit : Partie du
code 802.15.4
LRI : Consommation
Énergétique
Gestion d’accès intra-étoile
Gestion globale d’accès
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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).
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1.7 Réseau OCARI
Unité de contrôle
Îlot 1
Îlot 2
Îlot 3
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1.8 Objectif de la thèse
Économie d’énergie DéterminismeFaire dormir les nœuds et éviter les sources de consommation énergétique,
Garantir l’accès au médium sous un délai borné.
• 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
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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)
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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
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2.3 Exemples de protocoles
• 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
TDMA CSMA/CA
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2.4 IEEE 802.15.4/ZigBee
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2.5 Couche MAC IEEE 802.15.4
Supertrame (période d’activité)
Période d’inactivité
Coordinateur du PAN
Coordinateur
Feuille
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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.
065
64
22
1
82
41
4443
6245
48
76
2723
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2.7 Problèmes du cluster-tree
A
B
Collisions de beacons
GTS non garantis
A
B
Période d’inactivité
Période d’inactivité
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Plan (rappel)1. Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) :
– Définition des RCSF,– Contexte : projet OCARI,– Objectif de la thèse.
2. Les protocoles MAC dans les réseaux de capteurs sans fil :
– Principales familles et les techniques utilisées,– IEEE 802.15.4 et ZigBee.
3. Description de la contribution :– Protocole MaCARI.
4. Evaluation :– Simulation, prototype et étude analytique.
5. Conclusion et perspectives.
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3.1 Topologie d’un îlot OCARI
Coordinateur du PAN
Coordinateur
Feuille
Étoile
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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
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• Propagation sur l’arbre,• Initiée par le CPAN (A dans l’exemple),• Ordre d’envoi à respecter (A, B, C, D, E, F, G).
3.3 Période de synchronisation
ABCDEFG
T0 T1
A
B C
D E F G Cascade de beacons
T2 T3
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• Intervalles intra-étoile,• Relais entre coordinateurs père-fils,• Séquencement des périodes d’activité.
3.4 Période intra-étoile et relais
ABCDEFG
T1 T2
A
B C
D E F G
T0 T3T3
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3.5 Délai borné
A
B C
D E F G
ABCDEFG
ABCDEFG
ABCDEFG
Routage arborescent
Cyc
le
nC
ycle
n+
1C
ycle
n+
2
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3.6 Routage [T2; T3]
• Vérifier la table de voisinage pour prendre des raccourcis
A
B C
D E F G
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• Prototypage sur les cartes B2400ZB-Tiny :
4.1 Évaluation sous trois formes• Simulation sous NS2 :
• Analytique :
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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.
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4.3 Démarche d’évaluation
• Comparaison avec une configuration de beacon-only period du task groupe,
• Montrer l’apport des intervalles de relais.
Beacon-only
MaCARI sans Intervalles de relais
MaCARI
Synchro
Synchro
Synchro
Intra-étoile + routage
Routage
Routage
Intra-étoile
Relais garanti
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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
Capture d’écran
d’un scénario 4 de simulation
Génération de trafic : toutes les feuilles,
16 trames par feuille, 1 trame par seconde,22 octets par trame.
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4.5 Nombre de collisions (simulation)
• Effet de la segmentation,• Le relais garanti diminue la contention durant la
période de routage.
Nom
bre
de c
ollis
ions
par
tr
ame
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4.6 Quantité de trafic (simulation)N
ombr
e d’
octe
ts
reçu
s
Nombre d’octets envoyés
• Amélioration nette de l’utilisation du medium,• 20 Ko reçus de plus entre le point A et point B.
A
B
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4.7 Délai de bout-en-bout
• 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).
Simulation Prototype
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4.8 Délai de bout-en-bout : simulationN
ombr
e de
tr
ames
Délai en seconde
• Délai dépasse la durée d’un cycle (1.8 secondes) dû au report des trames.
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4.9 Délai de bout-en-bout : prototypeN
ombr
e de
tr
ames
Délai en seconde
• Convergence avec les résultats de simulation.
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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
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4.11 Gain énergétique (analytique)
0 [T1; T3]/2 [T1; T3] [T1; T3]*2
Rat
io d
u ga
in
éner
gétiq
ue
• Différentes valeurs de la période d’inactivité [T3; T0],• 8 feuilles actives par cycle et par coordinateur.
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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
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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.
A
[T1; T2]/4 [T1; T2]/2 [T1; T2] [T1; T2]*2
Nom
bre
d’ét
oile
s
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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.
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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.
Délai en seconde
Nom
bre
de
tram
es
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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.
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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.
Délai en seconde
Nom
bre
de
tram
es
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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.
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5.2 Conclusion
Collisions Envois infructueux
Réceptions inutiles
Trafic de control
Activations inutiles
• Pas de collision de beacon• Pas de collision pour le trafic prioritaire• Diminue le nombre de collisions
• Évite les envois infructueux
• Pour les feuilles : limitée à la période d’activité• Prise en charge par SERENA pour les coordinateurs
• Limité à la phase de création et aux envois de beacon
• Activation pour les feuilles limitée à la période d’activité• Prise en charge par SERENA pour les coordinateurs
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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.
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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.
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Fin
A
B C
D E F G
MerciMerciMerciMerciMerciMerciMerci
de votre écoute.