Proposition dun protocole MACtemps-rel pour rseaux de capteurs

Thomas Watteyne

encadrante : Isabelle Aug-Blum

Runion protocoles, 9 janvier 2006

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Rseaux de capteurs

- Mesure dune valeur physique

- Traitement

- Communication sans fil

Nombreuses applications militaire, de surveillance, Sant, maison intelligente,

systsystmes embarqumes embarquss

puissance de calcul

mmoire limite

nergie embarque

zones inaccessibles / dangereuses

dploiement alatoire

intervention humaine impossible (batterie)

Domaine dapplication des rseaux ad-hoc

pas infrastructure fixe topologie changeante multi-sauts

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Plan

I. tat de lart

II. Proposition

III. Modlisation et validation

IV. Simulation

V. Conclusion et perspectives

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Temps Rel dans les RdC

Temps-rel relchApplications lches, portion de messages en retard

accepte

Diffrenciation de flux aux couches 2 et 3ex: RAP (Lu, Blum, Abdelzaher, Stankovic, He, 2002)

SPEED (He, Stankovic, Lu, Abdelzaher, 2003)

Temps-rel durToujours arriver avant deadlinedeadline

Temps d'Excution/Transmission borns, connus, garantis: Temps PiresTemps Pires

Ordonnancement de messagesex: I-EDF (Caccamo, Zhang, Sha, Buttazzo, 2002)

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Temps-rel dans les RdC

Etat de lEtat de lart: tempsart: temps--rrel relchel relch

couche 2: MAC, accs au mdiumRduire temps dattente pour accder au mdiumex: 802.11

couche 3: routagePrendre en compte urgence du message dans dcision de routageex: SPEED

couches 1,2,3: architecture de communicationVitesse de linformation comme mtrique durgenceex: RAP

2 fluxflux normaux

flux dits temps-rel

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Temps-rel dans les RdC

Hypothses fortes: dcoupe en cellules hexagonales de mme taille 7 frquences synchronisation

Etat de lEtat de lart: tempsart: temps--rrel durel dur

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Plan

I. tat de lart

II. Proposition

III. Modlisation et validation

IV. Simulation

V. Conclusion et perspectives

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Vue gnrale

Proposer et valider un protocole MAC pour RdC offrant

des garanties temps-rel dures

Pas de routage, domaine d'application des rseaux linaires:

surveillance d'accidents sur autoroute

suivi de train sur chemin de fer

surveillance de chane de production

Initialisation

Mode non-protg

Mode protg

collision

Plus lent mais dlai

garanti

Vitesse de transmission

quasi-optimale

puits

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Hypothses

Nuds nud gaux une seule frquence, mme puissance pas de GPS (positionnement, synchronisation) nud connat sa position

distmin , maxrange

Zone surveille linaire prsence dun puits distmin distance entre voisins maxrange

Lien radio bidirectionnel pas derreurs de transmission

Alarmes leves par nimporte quel nud pas de priorits

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Mode non-protg

( )rangeemittingdunprotecte AAbackoff max

Quasi-optimal porte effective

maxrange

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Mode Protg

But: Sparer deux noeuds mettant au mme instant par assez de distance

Construire des cellules de longueur une porte radio

CREATION

CREATION

CREATION

CREATION

CREATION

CREATION

CREATION

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Mode protg

Protection dune portion du rseau

et envoi du message dalarme

ii-1i-2i-3i-4i-5

ii-1i-2i-3i-4i-5

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Plan

I. tat de lart

II. Proposition

III. Modlisation et validation

IV. Simulation

V. Conclusion et perspectives

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Mthodologie

Spcification du protocole

Proprits vrifier:- Comportementales- TemporellesModle formel

Model-

checking

Infirmation Confirmation

Automates

temporiss

Scnarios

Dtermination analytique des temps pires (initialisation, non-protg, protg)

Validation par modle formel

Pouvoir dexpression et danalyse

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noeu

d

noeu

d

noeu

d

puits

medium

alarmes

initialisation

non-protg

protg

Modlisation

DDcoupage logique de modcoupage logique de modlisationlisation

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Exemple: nud en mode non protg (simplifi)

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Validation Temporelle

180100600

[0,10][10,30]

[30,40]

150

max

3

=

+=

Isi

mission

noeuds

rseaurange

datanoeudsprotgnon

W

nombre

longueur

BW

taillenombrePire

Mode Mode nonnon--protprotgg

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Validation Temporelle

RRsultatssultats

- Initialisation correcte, WCETWCETinitializationinitialization est vrifi sur l'ensemble des scnarios.

-Transmission correcte en mode non-protg, ainsi qu'en multi-sauts. WCETWCETunprotectedunprotected est vrifi sur l'ensemble des scnarios.

- Transmission correcte en mode protg, y compris l'lection du nud relais, le dcalage de la zone protge et la transmission en mode multi-sauts. WCETWCETprotectedprotected est vrifi sur l'ensemble des scnarios.

- Basculement correct entre modes, y compris la dtection de collisions et la retransmission des messages tant entrs en collision. WCETWCETswitchingswitching est vrifi sur l'ensemble des scnarios.

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Plan

I. tat de lart

II. Proposition

III. Modlisation et validation

IV. Simulation

V. Conclusion et perspectives

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Modlisation10 nuds de test46 nuds raliste

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Rsultats

Temps dTemps dinitialisationinitialisation

10.923 sec.46 nuds

10.160 sec.10 nuds

Temps dinitialisationTopologie

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RsultatsTemps de remontTemps de remonte en mode prote en mode protgg et mode et mode nonnon--protprotgg

25.46m.s1 5250.40m.s1 200, c'est trop ?Backoff la 802.11 ?

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Importance du mode protg temps de remonte infini dans le cas pire

beaucoup de retransmissions dure de vie moindre

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Importance du mode protg temps de remonte infini dans le cas pire

beaucoup de retransmissions dure de vie moindre

charge acceptable avant saturation du rseau

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Plan

I. tat de lart

II. Proposition

III. Modlisation et validation

IV. Simulation

V. Conclusion et perspectives

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Conclusion et Travaux FutursConclusion:

Proposition d'un protocole MAC temps-rel pour RdC

Capteurs simples

Contraintes temps-rel valides formellement

Mise en vidence de l'intrt des deux modes par simulation

Travaux Futurs:

tude dtaille des mcanismes de basculement

Consommation nergtique

Comparer ses performances avec d'autres protocoles MAC (802.11)

Extension 3-D : couche de routage temps-rel dur

Ajouter des mcanismes de tolrance aux fautes

Implmentation physique sur une plateforme

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Publications:

confrence internationale

T. Watteyne and I. Aug-Blum, Proposition of a hard real-time mac protocol for wireless sensor networks, in International Symposium on Modeling, Analysis and Simulation of Computer and TelecommunicationSystems (MASCOTS). Atlanta, GA, USA: IEEE, September 2005, pp. 532535.

soumission

T. Watteyne, I. Aug-Blum and S. Ubda, Dual-Mode Real-Time MAC protocol for Wireless Sensor Networks: a Validation/Simulation Approach, submitted.

rapport de recherche

T. Watteyne, I. Aug-Blum and S. Ubda, Formal QoS Validation Approachon a Real-Time MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, to appear as an INRIA Research Report.

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Sujet de Thse

Thse CIFRE CITI (50%) / FT R&D Meylan (50%)

Encadrant industriel: Dominique Barthel / Mischa Dohler

Directeurs de thse: Isabelle Aug-Blum / Stphane Ubda

" Mcanismes d'auto-gestion faible consommation

d'nergie dans un rseau ad-hoc d'objets communicants "

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nergie

Sources de dpenses nergtiques:

Interne: microcontrleur

Communication

mission 0dBm

Rception

Actif

Endormi

Communication

Microcontrleur

sources

3510-3 W4210-3 W

3810-3 W2910-3 W

310-3 W3310-3 W

0.01510-3 W0.07510-3 W

Telos (2004)Mica 2 (2002)

200

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nergie

Solutions localeslocales d'conomie d'nergie :

Interne: nouveaux composants, circuits ddis plutt que C,

Communication: endormissement des nuds, preamble sampling au niveau MAC,

Solutions globalesglobales d'conomie d'nergie partir de solutions locales:

au niveau protocoles : chemin d'nergie minimale

Solutions globalesglobales d'conomie d'nergie :

au niveau protocoles : augmentation de la dure de vie du rseau

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Auto-organisation

La mise en place d'une structure et d'une fonctionnalit au niveau global partir d'interactions simples au niveau local.

1. Crer des rgles de comportement locales qui gnrent des proprits globales2. Ne pas viser une coordination parfaite: mcanismes de coordination implicite3. Information d'tat longue dure minimale4. Protocoles qui s'adaptent au changements

interactions simples auniveau local

fonctionnalit au niveau global

Approche descriptive

Approche constructive