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Conception d’un prototype de plateforme pour l’étude d’aspects haut niveau dans un réseau de capteurs
Mickaël Cartron, Olivier Sentieys,Olivier Berder
IRISA / R2D2ENSSAT Lannion
cartron@irisa.fr, sentieys@irisa.fr, berder@enssat.fr
2Projet Réseau de Capteurs
Introduction (1/5)
Les réseaux de capteurs• Objets communicants• Intégrés dans une zone d’intérêt• But : surveillance de zones
Caractéristiques• Ad hoc• Multi sauts• Débit faible• Très forte autonomie
Plateforme MICA2
Notre objectif : maximisation de la durée de vie
Plateforme Aphycare
3Projet Réseau de Capteurs
Introduction (2/5)
Augmenter l’autonomie : sur quels paramètres est-il possible d’agir ?• Point de vue « traitement »
Modulation, Puissance d’émission, Débit binaire par canal, Nombre de canaux disponibles, Largeur de bande utilisée
Système de détection/correction d’erreurs,Système de répétition automatique, Taille des paquets
Algorithmes de routage énergétiquement efficaces
Accès au média / Physique
Liaison
Réseau
Algorithmes distribués efficaces
Application
4Projet Réseau de Capteurs
Introduction (3/5)
Augmenter l’autonomie : sur quels paramètres est-il possible d’agir ?• Point de vue « circuit »
(f, Vdd)
Capteur A/D Processeur Coprocesseur Radio
RAM Flash
Générateur BatterieDC/DCconv.
DVS
5Projet Réseau de Capteurs
Introduction (4/5)
Interdépendance des paramètres est un casse-tête pour réaliser une optimisation (en se limitant à bas niveau)• Si on augmente le taux de transmission
La probabilité de collision diminue Le taux d’erreur augmente La consommation augmente
• Si on augmente la puissance de la correction d’erreur Le taux d’erreur diminue La probabilité de collision augmente La consommation augmente
• Si on augmente la puissance d’émission Le taux d’erreur diminue La probabilité de collision augmente La consommation augmente
6Projet Réseau de Capteurs
Introduction (5/5)
On a énormément de paramètres qui ne sont pas « orthogonaux »• Optimisation difficile
Classification des paramètres• Paramètres liés au scénario applicatif• Paramètres liés aux choix technologiques• Paramètres non définis a priori
Il est nécessaire de faire des conjectures sur certaines valeurs de paramètres qui doivent être les plus réalistes possibles
Pour faire des conjectures correctes, il faut bien connaître les applications• Information échangée• Débits réellement nécessaires• Etc…
7Projet Réseau de Capteurs
PLAN DE LA PRÉSENTATION
I - Étude de scénarios applicatifs II - Plateforme Aphycare III - Architecture logicielle du prototype
• Nœud quelconque du réseau• Station de base
IV - Application à un problème concret V - Conclusion et perspectives
8Projet Réseau de Capteurs
Étude de scénarios applicatifs (1/7)
2 scénarios précis• « Mesures sur une zone d’intérêt »• « Détection et positionnement d’une cible
active »
Évaluation des besoins• Quantité d’informations échangées• Puissance de calcul nécessaire• Quantité de mémoire nécessaire au traitement
9Projet Réseau de Capteurs
(0,0)
(1,5)
(1,8)
(4,2)
(5,6)
(8,4)
(8,8)
(11,3)
Identifiants des nœuds = position géographique
Station de base (puits de données)
Simple répéteur
Capteur/Répéteur(source de données)
Type de nœuds
Exemple de réseau de capteurs
Étude de scénarios applicatifs (2/7)
10Projet Réseau de Capteurs
Application 1 : "Mesures sur une zone d'intérêt"
(7,7) (7,7)
?(7,7)
(1,5)
(7,7)
(1,5)(5,6)
(7,7)(5,6)
(8,8)
• La station de base (0,0) veut connaître la température en (7,7)
• Le point (7,7) n'est pas à portée radio de la station de base • La station de base émet "temp(7,7)?"• Le répéteur (1,5) reçoit la requête
• (1,5) n'est pas à proximité de (7,7)• (1,5) ré-émet "temp(7,7)?" dans la "bonne direction", vers (5,6)• Le capteur (5,6) reçoit la requête
• Le capteur (5,6) va participer au calcul de la température, car il est près de (7,7)• (5,6) fait également participer (8,8) au calcul en lui envoyant la requête• (8,8) reçoit la requête
Étude de scénarios applicatifs (3/7)
11Projet Réseau de Capteurs
Application 1 : "Mesures sur une zone d'intérêt"
(7,7)(5,6)
(8,8)(7,7)
(1,5)(5,6)
(4,2)
(7,7)
(4,2)
(0,0)
• (8,8) va participer au calcul de la température, car il est près de (7,7)• (8,8) transmet sa valeur locale de température à (5,6)• (5,6) reçoit la valeur de (8,8)
• (5,6) calcule la valeur en (7,7) en faisant une moyenne pondérée• (5,6) génère une réponse et l'envoie à (4,2) pour ne pas épuiser (1,5)• (4,2) reçoit la requête
• (4,2) ré-émet le résultat à (0,0)• (0,0) reçoit le résultat
Étude de scénarios applicatifs (4/7)
12Projet Réseau de Capteurs
Application 2 : "Positionnement d'une cible active"
Cible
• On cherche à connaître la position instantanée d'une cible mobile active
• La cible émet une trame en mode « diffusion locale »• infos : cohérence temporelle, numéro de cible, puissance d'émission
• Les nœuds du voisinage estiment la distance avec la cible• Ils émettent chacun une trame en mode direct vers la cible• infos : cohérence temporelle, numéro de cible, distance, coordonnées locales
• Dans un deuxième temps, les mêmes nœuds routent ces mêmes infos vers la station de base
Étude de scénarios applicatifs (5/7)
13Projet Réseau de Capteurs
« Multi-sauts (acquitté) »
« Inondation »
Mise en évidence de 5 modes de transmission (6/7)
14Projet Réseau de Capteurs
« Saut unique acquitté »
« Saut unique non acquitté »
« Diffusion locale »
Mise en évidence de 5 modes de transmission (7/7)
15Projet Réseau de Capteurs
PLAN
I - Étude de scénarios applicatifs II - Plateforme Aphycare III - Architecture logicielle du prototype
• Nœud quelconque du réseau• Station de base
IV - Application à un problème concret V - Conclusion et perspectives
16Projet Réseau de Capteurs
La plateforme Aphycare (1/2)
Microcontrôleur 16 bits Texas Instrument MSP430• Faible consommation / faible coût• 2 Ko de RAM, 60 Ko de flash
Tête de communication Deltadore ou Chipcon CC1020• Half duplex• Modulations FSK / GFSK / OOK, 860 Mhz• Taux de transmission bit maximum 3,6 Ko/s• Broche RSSI• Contrôle de la puissance (uniquement sur la version CC1020)
17Projet Réseau de Capteurs
Architecture du réseau (2/2)
N nœuds :Cartes Aphycare
1 station de base :Carte Aphycare +Carte Ethernut
18Projet Réseau de Capteurs
PLAN
I - Étude de scénarios applicatifs II - Plateforme Aphycare III - Architecture logicielle du prototype
• Nœud quelconque du réseau• Station de base
IV - Application à un problème concret V - Conclusion et perspectives
19Projet Réseau de Capteurs
Niveau physique
Niveau liaison
Niveau réseau
Niv
eau a
pplic
ati
on
Gestion destimers
Tâcheapplicative
1
Tâcheapplicative
2
Auto-position-nement
Connaissancedu voisinage
Routagegéographique
Routage parinondation
Dispatch
Contrôle d'erreurs
Driver du composant de communication
Architecture logicielle d’un capteur (1/14)
20Projet Réseau de Capteurs
Niveau physique
Niveau liaison
Niveau réseau
Niv
eau a
pplic
ati
on
Simulationd'une
horlogeinterne
Tâcheapplicative
1
Tâcheapplicative
2
Auto-position-nement
Connaissancedu voisinage
Routagegéographique
Routage parinondation
Dispatch
Contrôle d'erreurs
Canal de communication par file de messages Unix
Architecture logicielle d’un capteur (version simulation) (2/14)
21Projet Réseau de Capteurs
mode_transmission type
Structure des trames (3/14)
Trame générique
22Projet Réseau de Capteurs
Structure des trames (4/14)
mode_transmission type
Mode multi saut
Multi-sauts (acquitté)
Inondation
mode_transmission type
Mode inondation
ID_tramesource
Num ackDestinataireSourceSuivant
23Projet Réseau de Capteurs
Structure des trames (5/14)
Saut unique acquitté
Saut unique non acquitté
mode_transmission type
Mode saut unique acqu.
Num ackDestinataireSource
mode_transmission type
Mode saut unique non acqu.
DestinataireSource
24Projet Réseau de Capteurs
Structure des trames (6/14)
Diffusion locale
mode_transmission type
Mode diffusion locale
Source
25Projet Réseau de Capteurs
Les différents types de trames sont reliées par une union, ce qui permet de supprimer les recopies inutiles dans les buffers.
Les trames sont interprétées différemment en fonction du champ Type.
typedef union{
info_ACK Ack ;info_Cible Cible ;info_REQvois REQvois ;info_REPvois REPvois ;info_Signal Signal ;info_Distance_base Distance_base ;info_Distance_cible Distance_cible ;info_Vague Vague ;
} u_info ;
Structure des trames (7/14)
26Projet Réseau de Capteurs
Niveau physique
Niveau liaison
Niveau réseau
Niv
eau a
pplic
ati
on
Gestion destimers
Tâcheapplicative
1
Tâcheapplicative
2
Auto-position-nement
Connaissancedu voisinage
Routagegéographique
Routage parinondation
Dispatch
Contrôle d'erreurs
Driver du composant de communication
Gestion des buffers (8/14)
27Projet Réseau de Capteurs
Indique le nombre de tentatives d'envoi max. restant à réaliser
Heure limite pour recevoir un acquittement
Historique de fabrication du message
Trame brutedeadline historique Nombre d'envois
crcsourcedestinatairetypemode autre données
ETAPE1
ETAPE2
ETAPE3
PRET
Trame brutedistance
crcsourcedestinatairetypemode autre données
Distance estimée de l'émetteur
Gestion des buffers (9/14)
Buffer d’émission
Buffer de réception
28Projet Réseau de Capteurs
Gestion destimers
Tâcheapplicative
1
Tâcheapplicative
2
Auto-position-nement
Connaissancedu voisinage
Routagegéographique
Routage parinondation
Dispatch
Contrôle d'erreurs
Driver du composant de communication
Buffer Réception
Buffer Émission
Gestion optimisée des buffers (10/14)
29Projet Réseau de Capteurs
Utilisation d'un ordonnanceur• ordonnancement
fixe• non préemptif• très portable
main(){ initialisations(); while(1){ PT_planificateur_d’accès(); PT_réception(); PT_émission(); PT_liaison(); PT_réseau(); PT_appli(); PT_gestion_timers(); }}
Tache 1
Tache 2
Tache 3
etc.
Utilisation d’un ordonnanceur (11/14)
[Dunkels, Schmidt, Voigt, “Using Protothreads for Sensor Nodes Programming”, 2005]
30Projet Réseau de Capteurs
Module
KernelProgram loaderMulti-threading
libraryTimer library
Memory manager
Event log replicatorµIP TCP/IP stack
Code AVR(taille en
octets)1044
-678
90226
19345218
Code MSP430(taille en octets)
810658582
60170
16564146
RAM(taille en
octets)10 + 2*e + 2*p
88 + s
00
20018+b
e : nombre d'évènements p : nombre de protothreads
Optimisation de la mémoire (12/14)
31Projet Réseau de Capteurs
Basé sur une amélioration du modèle MAPLAP• TX: Transmit• RX: Receive• AQ: Acquire• MN: Monitor• IL: Idle• [Lin, Rabaey, Power-Efficient Rendez-vous Schemes
for Dense Wireless Sensor Networks, ICC, 2004]
TX AQ
MN
IL RX
Émetteur
Récepteur
MN/AQ/RX
Réactivation
TX
IL
Diagramme d'étatdu modèle MAPLAP
Driver du composant de communication (13/14)
32Projet Réseau de Capteurs
Contrôleur bas niveau• Prend en charge une
procédure de réception ou d'émission
• Contrôle l'activation et la désactivation du composant
• Sa cohérence est contrôlée par la machine d’état décrite précédemment
Planificateur d'accès au média• Analyse le buffer d'émission
et les horloges• Planifie les réveils de
réception et d'émission• Simule la diffusion
Planificateurd'accès au média
Contrôleur bas niveau
Buffer Réception
Buffer Émission
Driver du composant de communication (14/14)
33Projet Réseau de Capteurs
PLAN
I - Étude de scénarios applicatifs II - Plateforme Aphycare III - Architecture logicielle du prototype
• Nœud quelconque du réseau• Station de base
IV - Application à un problème concret V - Conclusion et perspectives
34Projet Réseau de Capteurs
Gestion destimers
Tâcheinterface
Tâcheapplicative
2
Auto-position-nement
Connaissancedu voisinage
Routagegéographique
Routage parinondation
Dispatch
Contrôle d'erreurs
Driver du composant de communication
Pla
tefo
rme A
phyC
are
Cart
eEth
ern
ut
Liaison série
Tâcheinterface
Serveurweb
dynamiqueIEEE 802.3 Réseau local
LiaisonEthernet
Station de base (1/2)
35Projet Réseau de Capteurs
Liaison série carte Ethernut / plateforme Aphycare Serveur web dynamique Possibilité d’interroger le réseau Possibilité de récupérer les réponses
Station de base (2/2)
36Projet Réseau de Capteurs
PLAN
I - Étude de scénarios applicatifs II - Plateforme Aphycare III - Architecture logicielle du prototype
• Nœud quelconque du réseau• Station de base
IV - Application à un problème concret V - Conclusion et perspectives
37Projet Réseau de Capteurs
Exemples d’utilisation du prototype (1/12)
Étude de contraintes à bas niveau• La modélisation réaliste des contraintes haut
niveau est difficile.• La précision des paramètres doit être aussi
grande que possible, car l’optimisation des paramètres à bas niveau les présuppose connus.
• Paramètres clésNombre de messages échangésProbabilité de collisionsEtc…
38Projet Réseau de Capteurs
Exemple : évaluation d’un gain en performance (2/12)
Considérons l’ensemble constitué des niveaux liaison, MAC et physique d’un système de communication
Modèle de l’énergie par bit transmis avec succès• BPSK, canal AWGN, codage canal Hamming ou convolutif• retransmission SACK, longueur de paquets lp
39Projet Réseau de Capteurs
Exemple : évaluation d’un gain en performance (3/12)
Mise en évidence d'un point optimal de fonctionnement• D=10 m, Pbruit=-90 dBm, Paquets de 53 octets, ré-émission
automatique : SACK, correction d'erreurs (viterbi, hamming)• couche physique adaptée• amplificateurs efficaces• modulation BPSK
• fort intérêt à se situer à la puissance d’émission optimale
• QUESTION : Quel gain de durée de vie gagne t’on réellement à être au point optimal ?
40Projet Réseau de Capteurs
Évaluation d’un gain en performance (4/12)
Considérons un exemple de réseau formé de 27 nœuds disposés régulièrement, et d'une station de base
Simulation réalisée à l'aide de notre prototype de réseau de capteurs (version simulation) Pas du réseau : 7 mètres
41Projet Réseau de Capteurs
Évaluation d’un gain en performance (5/12)
Protocole d'exemple : mise à jour d'un réseau de capteurs• Phase 1 : inondation pour lancer la phase d'initialisation• Phase 2 : requête pour la connaissance du voisinage• Phase 3 : réponse à la requête• Phase 3 bis : acquittements de cette réponse• Phase 4 : enregistrement de chaque nœud auprès de la station de base• Phase 4 bis : acquittements du mode multi-hop
42Projet Réseau de Capteurs
Évaluation d’un gain en performance (6/12)
3 5
5 8
5
8
5
8
5
8
5
8
3
5
5 8 8 8 8 8 5
3 5 5 5 5 5 3
Phase 1 : inondation initiale
Sommes cumulées d’émissions de paquets
43Projet Réseau de Capteurs
Évaluation d’un gain en performance (7/12)
6 10
10 16
10
16
10
16
10
16
10
16
6
10
10 16 16 16 16 16 10
6 10 10 10 10 10 6
Phase 2 : requête pour la connaissance du voisinage
44Projet Réseau de Capteurs
Évaluation d’un gain en performance (8/12)
12 20
20 32
20
32
20
32
20
32
20
32
12
20
20 32 32 32 32 32 20
12 20 20 20 20 20 12
Phases 3 et 3 bis : réponse à la requête sur le voisinage
45Projet Réseau de Capteurs
Évaluation d’un gain en performance (9/12)
13 21
21 35
21
39
21
35
21
35
21
35
13
21
21 39 59 55 47 39 21
13 21 21 21 21 21 13
Phases 4 et 4 bis : enregistrement de chaque nœud auprès de la station de base
46Projet Réseau de Capteurs
Évaluation d’un gain en performance (10/12)
13 21
21 35
21
39
21
35
21
35
21
35
13
21
21 39 59 55 47 39 21
13 21 21 21 21 21 13
Phases 4 et 4 bis : enregistrement de chaque nœud auprès de la station de base
Capteur le plus sollicité
47Projet Réseau de Capteurs
Évaluation d’un gain en performance (11/12)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
<10 <20 <30 <40 <50 <60
Nombre denœuds
Max.Moy.
5526,1
Nombre de nœuds en fonction du nombre d’émissions
48Projet Réseau de Capteurs
Évaluation d’un gain en performance (12/12)
Énergie dépensée par trame
1.6 mJ
2.048 mJ2.048 mJ
2.048 mJ
Méthode d'optimisation globale adaptative
475 % de temps en plus avant
l'épuisement du premier nœud
Méthode indexée sur le pire cas
406 % de temps en plus avant
l'épuisement du premier nœud
5.2 mJ
5.2 mJ
Méthode indexéesur la puissance
d'émission de 0 dBm
49Projet Réseau de Capteurs
PLAN
I - Étude de scénarios applicatifs II - Plateforme Aphycare III - Architecture logicielle du prototype
• Nœud quelconque du réseau• Station de base
IV - Application à un problème concret V - Conclusion et perspectives
50Projet Réseau de Capteurs
Conclusion et perspectives
Analyse fine des besoins applicatifs• Meilleure évaluation des contraintes
qu’exercent les niveaux supérieurs sur les couches basses de la pile de protocole réseau
• Bases pour une architecture adaptée à des réseaux de capteursCoprocesseurArchitecture mémoire intelligente
51Projet Réseau de Capteurs
Bibliographie
R. Min, M. Bhardwaj, S.-H. Cho, E. Shih, A. Sinha, A. Wang, and A. Chandrakasan. “Low-Power Wireless Sensor Networks”. VLSI Design, 2001.
J. Rabaey, M. Ammer, J. da Silva, D. Patel, and S. Roundy. “PicoRadio supports ad hoc ultra-low power wireless networking”. In Computer, IEEE, 2002.
I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirci. “Wireless Sensor Networks: a survey”. In Computer Networks, IEEE, 2002.
A. Dunkels, B. Grönvall, and T. Voigt. “Contiki – a lightweight ans flexible operating system for tiny networked sensors”. In Proc. of the first IEEE Workshop on embedded Networked Sensors, Tampa, Florida, November 2004.
E.-Y.A Lin, J. Rabaey, and A. Wolisz. “Power-Efficient Rendez-vous Schemes for Dense Wireless Sensor Networks”, In Proc. of the ICC, 2004.
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