satellites d'observation et réseaux de capteurs autonomes

Contexte Scénario d’étude Architectures Segment satellite Segment terrestre Conclusion1

Satellites d’observation et réseaux de capteursautonomes au service de l’environnement

Patrice Raveneau1

1IRIT – Université de Toulouse – INPT

Soutenance de thèse de doctorat :Vendredi 20 Juin 2014

Patrice Raveneau Satellites d’observation et réseaux de capteurs autonomes


Plan

1 Contexte

2 Scénario d’étude

3 Architectures

4 Segment satellite

5 Segment terrestre

6 Conclusion


Contexte Scénario d’étude Architectures Segment satellite Segment terrestre ConclusionMissions Technologies Motivations 3

Partenariat CNES ;Plusieurs types de missions d’observation ;Plusieurs technologies d’observation.



Observation de l’environnement

But Période Couverture Mobilité Lien Lien Exemplesmontant descendant

DiminuerTemps min. locale moyenne permanence si crise SAFER

Réponse détectée GARNET-ESecours GEO Pictures

Surveillance min. locale grande permanence à la demande G-MOSAICActivités illégales

Surveillance min. locale moyenne à la demande à la demande SYSTEM-F6Champ de bataille

Télémédecine min. régionale grande à la demande à la demande TéléSantéSurveillance

Tremblements min. mondiale nulle permanence jamais DEMETERde Terre

Surveillance heure régionale nulle permanence changement LIMESMaritime conditions EAMNet

navigation JASONSuivi jour locale moyenne permanence jamais EELIAD

PopulationsSurveillance jour mondiale nulle permanence jamais CARBONES

Environnement EURO4Exploration mois locale faible occasionnel à la demande MARS-EXPRESS

Extra-terrestre



Plan

1 ContexteMissionsTechnologiesMotivations


3 Architectures

4 Segment satellite

5 Segment terrestre

6 ConclusionPatrice Raveneau Satellites d’observation et réseaux de capteurs autonomes


Réseaux de capteurs sans fil ;Satellites d’observation ;Drones ;Ballons ;. . .



Réseaux de capteurs sans fil

Petits équipements, pas chers ;Réseaux auto-configurables ;Protocoles minimisant l’énergie (IEEE 802.15.4) ;Évolution d’une vision applications vers une vision réseau(6LoWPAN).



Satellites d’observation

Satellites à orbite basse (LEO) ;Faibles contraintes de délai ;Protocoles adaptés au satellite ;Évolution vers des systèmes multi-missions etinteropérables (EO-1, CLEO sur UK-DMC)



Plan

1 ContexteMissionsTechnologiesMotivations


3 Architectures

4 Segment satellite

5 Segment terrestre



Différentes technologies mais missions communes ;Spécificités au niveau de la couche liaison ;Limitations de la mémoire (missions secondaires,contraintes matérielles) ;Intermittence des liens.



Objectifs

Proposer une architecture unifiée.Solutions spécifiques et généricité.


Contexte Scénario d’étude Architectures Segment satellite Segment terrestre ConclusionDescription Contraintes Les réseaux tolérants au délai Solutions 12

Plan

1 Contexte

2 Scénario d’étudeDescriptionContraintesLes réseaux tolérants au délaiSolutions

3 Architectures

4 Segment satellite

5 Segment terrestre

6 Conclusion Patrice Raveneau Satellites d’observation et réseaux de capteurs autonomes


Surveillance d’une forêt

Couvrir la majorité des contraintes ;Suivi d’espèces ;Prévention et Suivi de crises.

Source du trafic PériodiqueNombre de trafics Plusieurs (différentes priorités)

Durée de vie un jour / une semaineTypes de capteurs au sol Statiques et mobiles

Volume des données 10 octets (sol) / 100Mo (sat)



Plan

1 Contexte


3 Architectures

4 Segment satellite

5 Segment terrestre



Scénario

Contraintes et conséquencesContraintes Conséquences

Satellites LEO Interruptions sur les liensPossibilité de crise Diminution de la connexité, Hausse du traficConnexité partielle Stockage à bord des satellites

Nœuds mobiles Contacts sporadiques, Radio allumée en permanence



Plan

1 Contexte


3 Architectures

4 Segment satellite

5 Segment terrestre



Réseau interplanétaire ;Réseau d’overlay ;

Tolérance aux interruptions.



Plan

1 Contexte


3 Architectures

4 Segment satellite

5 Segment terrestre



Topologie retenue

passerelle

capteur

satellite

destination



Plan

1 Contexte


3 Architectures

4 Segment satellite

5 Segment terrestre

6 Conclusion



Architecture la moins envahissante

802.15.4 Phy

802.15.4 MAC

Réseau ZigBee

Application

RF

TM/TC

IP

UDP

Bundle Protocol

Application

RF

TM/TC

IP

UDP

Bundle Protocol

Application

RF

TM/TC

Space Packet Protocol

CFDP

RF

TM/TC

Space Packet Protocol

capteur passerelle satellite destination

CFDP

802.15.4 Phy

802.15.4 MAC

Réseau ZigBee

Application



Architecture intégrant le satellite

802.15.4 Phy

802.15.4 MAC

Réseau ZigBee

Application

RF

TM/TC

IP

UDP

Bundle Protocol

Application

RF

TM/TC

IP

UDP

Bundle Protocol

Application


RF

TM/TC

IP

UDP

Bundle Protocol

Application

RF

TM/TC

IP

UDP

Bundle Protocol

Application

802.15.4 Phy

802.15.4 MAC

Réseau ZigBee

Application



Architecture la plus globale

802.15.4 Phy

802.15.4 MAC

802.15.4 Phy

802.15.4 MAC

RF

TM/TC

IP

UDP

Bundle Protocol

RF

TM/TC

IP

UDP

Bundle Protocol


RF

TM/TC

IP

UDP

Bundle Protocol

RF

TM/TC

IP

UDP

Bundle Protocol

Application

Bundle Protocol

Application

Bundle Protocol



Comparaison des différentes architectures

Archi Avantages Inconvénients1 Interruptions prises en charge Pas de retour de destination1 Peu d’impacts sur l’architecture classique Satellite passerelle applicative2 Réseau satellite DTN Plus de fonctionnalités sur satellite2 Passerelles joignables Pas de capteurs mobiles3 Réseau DTN Overhead sur satellite3 Tout équipement joignable Limite mémoire sur capteurs


Contexte Scénario d’étude Architectures Segment satellite Segment terrestre ConclusionContraintes avec satellite Carreau et les priorités Martinet et équité 25

Plan

1 Contexte


3 Architectures

4 Segment satelliteContraintes avec satelliteCarreau et les prioritésMartinet et équité

5 Segment terrestre



Hausse du trafic sporadique ;

capacité

trafic cumulé

temps

Connexité intermittente.



Plan

1 Contexte


3 Architectures


5 Segment terrestre



Transmission Totale(TT)

Passerelle transmet quand un satellite est présent :



Chargement Total (CT)

Les passerelles arrêtent de transmettre quand la mémoire dusatellite est saturée :



Carreau : décision de transmission



1: Pour chaque contact avec une passerelle Faire2: Pour chaque réception de Bundle Faire3: Si mémoire Libre > taille d’un Bundle Alors4: stocker Bundle # stockage du Bundle par ordre décroissant de5: priorité puis par ordre croissant d’échéance6: Sinon7: Transmettre à la passerelle le Bundle en fin de file # ce Bundle

a la priorité la plus faible et l’échéance la plus grande8: Fin Si9: Fin Pour

10: Fin Pour



Notations

N, nombre de Bundles que la mule peut transporter.m, nombre de stations terrestres.T , durée d’un cycle de la mule.Ai,j , nombre d’arrivées de la classe de trafic i à la station jpour un cycle donné.θi , durée de vie de chaque Bundle de la classe de trafic i .C, nombre total de cycles où une crise est présente.



Le nombre de pertes pour un cycle est nTT :

nTT = max

0,

∑i

m∑j=1

(Ai,j)− N

Le nombre de Bundles perdus pendant la crise est nCT :

nCT =∑

i

m∑j=jp

C∑r=1

[ni,j(r)×min

(1,

C∑l=r

⌊θi

l · T

⌋)]

ncar est le nombre de Bundles perdus pendant la crise :

ncar =∑

i

∑j

C∑r=1

[nparqi,j (r)×min

(1,

C∑l=r

⌊θi

l · T

⌋)]



Résultats analytiques

2 trafics ;non-prioritaire : 90% ;prioritaire : 60% ;



Pourcentage de pertes

0

10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Po

urc

en

tag

e m

oye

n d

e p

ert

es

rap

po

rté

à la

cap

aci

té

de la

mu

le

Durée de présence du trafic critique en multiples de la durée d'un cyle

CTTT

Carreau



Pourcentage de pertes

0

10

20

30

40

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Po

urc

en

tag

e m

oye

n d

e p

ert

es p

ar

rap

po

rt à

la c

ap

acité

de

la

mu

le

Durée de présence du trafic critique en multiples de la durée d'un cycle

CT critiqueTT critique

Carreau non-critiqueCT non-critiqueTT non-critique

Carreau critique



Le routage

Prédictible :Contact Graph Routing (CGR).

Non-déterministe :Réplication :

Epidemic ;PRoPHET ;MaxProp ;

Quota :SprayAndWait.



Simulations

The One

Nombre de satellites 5

Mémoire des satellites 50 Mo

Mémoire des passerelles 500 Mo

Nombre de passerelles 5

Durée des simulations 5 jours

Taille des Bundles 1Mo

Période inter-arrivée trafic permanent (s) [600, 900, 3600]

Période inter-arrivée trafic critique (s) 600

Durée de vie des données critiques 30 h



Overhead

0

10

20

30

40

50

600-600 600-900 600-3600

Taux

d'o

verh

ead

Durées Inter-Arrivées pour trafics prioritaire, standard (s)

CarreauDirectDelivery

EpidemicMaxPropProphet

SprayAndWait

0

10

20

30

40

50

600-600 600-900 600-3600



SprayAndWait



Taux de délivrance du trafic prioritaire

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

600,600 600,900 600,3600

Taux

de

déliv

ranc

e du

traf

ic p

riorit

aire

Durées Inter-Arrivées pour trafics prioritaire, standard (s)

DirectDeliveryEpidemicMaxPropProphet

SprayAndWait

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

600,600 600,900 600,3600



SprayAndWait



Plan

1 Contexte


3 Architectures


5 Segment terrestre



Équité à priorité égale

Garantir équité entre stations pendant une crise :

satellite

stations au sol

serveur



Définition de l’équité : proportion égale d’occupation de lamémoire du satellite

Di,1 Di,2 Di,3

Ri,1 Ri,2 Ri,3

Ri,4

Di,4

Avant i Après i

Di,1 Di,2 Di,3

Ri,4Ri,3Ri,2Ri,1

Di,4

satellite

solR

AM

AT

AQ

DA

TA

PA

RK

satellite

sol

RA

M

AT

AQ

DA

TA

Satellite disponible Satellite saturé



EthiKable : Équité pour chaque passerelle

1: Pour chaque Requête de transmission d’un volume de Bundles d’une passerelle j Faire2: Si la somme des trafics présents sur le satellite est inférieure à sa capacité Alors3: Accepter la transmission4: Sinon5: Répéter6: Pour chaque trafic datant d’une époque donnée Faire7: Pour chaque trafic provenant d’une passerelle Faire8: Déposer une proportion équitable de Bundles9: Fin Pour

10: Accepter une proportion équitable de Bundles au sol11: Équité atteinte pour trafic créé à une époque donnée12: Fin Pour13: Jusqu’à Équité atteinte pour le trafic le plus récent à bord14: Fin Si15: Fin Pour



Implantation de Martinet et tests avec linux containers :

Standard Martinet

Taux de délivrance 0.75 0.75

Répartition des taux

de délivrance par source 0.66 / 0.33 0.55 / 0.44

Simulations avec The One : Standard = DirectDelivery

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1 2 3 4 5 6

Indi

ce d

'équ

ité d

e Ja

in

Nombre de satellites

MartinetStandard

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1 2 3 4 5 6

MartinetStandard



Conclusion

Surcharges sporadiques ;Faible connexité ;Carreau utilise la mémoire disponible au sol ;Martinet fournit l’équité entre les stations au sol.


Contexte Scénario d’étude Architectures Segment satellite Segment terrestre ConclusionContraintes des capteurs Étude des accusés de réception FREAK : Choix des relais fondé sur l’historique 47

Plan

1 Contexte


3 Architectures

4 Segment satellite

5 Segment terrestreContraintes des capteursÉtude des accusés de réceptionFREAK : Choix des relais fondé sur l’historique



Implantation du Bundle Protocol sur capteurs

TABLE : Comparaison des différentes implantations pour déploiementsur MicaZ

Implantation Langage Mémoire Taille Bundle Couche deadapté pré-allouée du code Protocol convergence basse

interopérableION X X X X X

DTN2 X X X X XIBR-DTN X X X X XµDTN X X X X X

DTNLite X X X X XContikiDTN X X X X X



nanoDTN

Inspirée de µDTN ;Plus légère ;Architecture modulable (adaptée à la mission) ;Preuve de concept : test avec un émetteur périodique etun récepteur à portée ;Orientation de la réflexion :

mécanismes simples ;peu de ressources mémoire.



Scénario

Nœuds mobiles ;Station de collecte statique ;Mostly-on ;Limitations mémoire ;Limitations de capacité de traitement.

station de base

capteurtrace d'un capteur



Plan

1 Contexte


3 Architectures

4 Segment satellite




Intuition : Accusés de réception (ACK) consomment de lamémoireACK⇒ Gain ou perte ?Modèles analytiques avec et sans ACK pour étudier letemps de séjour en mémoire infinie.



Nombre de copies dans le réseau sans ACK

Epidemic ;Durée inter-contacts exponentielle.



Nombre de copies dans le réseau avec ACK



0

5

10

15

20

25

30

35

2 4 6 8 10 12 14 16 18

Te

mp

s (s

)

Délais et temps de séjour avec et sans ACKS

délai Epidemicséjour avec ACKsséjour sans ACKs

Nombre de nœuds

délai/séjour DirectD



Plan

1 Contexte


3 Architectures

4 Segment satellite




Frequency Routing Encounter And Keenness : FREAK

Les nœuds n’ont pas une mobilité erratique.Certains nœuds plus fréquemment proches de ladestination.Idée : relayer les messages vers ces nœuds.FREAK mesure la fréquence de contacts avec la station debase.Les meilleurs relais sont ceux avec la fréquence la plusélevée.



1: Soit A le nœud local2: nbrContacts = 03: freq = 04: Pour chaque nœud rencontré (nommé B) Faire5: Si B est la destination Alors6: nbrContacts + + # Si c’est la destination on met à jour la métrique7: freq = nbrContacts

CurrentTime8: Envoyer tous les Bundles # et on lui transmet tous les Bundles9: Supprimer les Bundles délivrés

10: Sinon11: Si contactfreq(A) < contactfreq(B) Alors # Si le nœud rencontré voit la destination plus souvent

12: envoyer Bundles à B # alors on lui transmet tous les Bundles13: Sinon14: attendre les Bundles de B # sinon on attend les siens15: Fin Si16: Fin Si17: Fin Pour



0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

1 2 3 4 5 6

Taille mémoire (# Bundles)

Ta

ux

de

déliv

ran

ce

EpidemicFREAK

MaxPropProphet



0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6


FREAKMaxPropProphet

Déla

i (s)

Epidemic



406080

100120140160180200220240260

1 2 3 4 5 6


Ove

rhe

ad

EpidemicFREAK

MaxPropProphet



Taux de délivrance sans ACK

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

1600 16000

Ta

ux

de

déliv

ran

ce (

%)

Mémoire allouée aux données (octets)

EpidemicFREAK

MaxPropProphet

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

1600 16000

EpidemicFREAK

MaxPropProphet



Taux de délivrance avec variation de la mémoireallouée aux ACK

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Ta

ux d

e d

éliv

ran

ce (

%)

Volume de mémoire allouée aux données (octets)

EpidemicFREAK

MaxPropProphet



Overhead avec variation de la mémoire allouée auxACK

50

100

150

200

250

300

350

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Ove

rhead

Volume de mémoire allouée aux données (octets)

EpidemicFREAK

MaxPropProphet



Conclusion

Utiliser les rencontres passées pour améliorer lestransmissions futures ;FREAK : léger et implantable sur capteurs ;ACK améliorent nettement les performances.


Contexte Scénario d’étude Architectures Segment satellite Segment terrestre ConclusionConclusion Perspectives 66

Plan

1 Contexte


3 Architectures

4 Segment satellite

5 Segment terrestre

6 ConclusionConclusionPerspectives



Architectures répondant aux contraintes de multi-missions ;Propositions sur le segment satellite ;Capteurs mobiles et utilité des ACK ;Implantation de DTN sur capteurs.



Hétérogénéité des technologies ;Suppression de messages plus anciens qu’une duréefonction de la durée moyenne de délivrance ;Décision de transmissions sur un groupe de nœuds àportée ;Applicable à des projets comme SWIPE.



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Questions ?


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