Modélisation d’une couche physiquedans

les réseaux de capteurs

Antoine Gallais

IRCICA/LIFL, CNRS UMR 8022, Université de Lille 1INRIA Futurs, France

Hervé Parvery et Jean-Marie Gorce

CITI/ARES, INSA-Lyon, INRIA Rhone-Alpes, France

Iramus, Décembre 2005

Cadre

Mission Scientifique de Courte Durée2 semaines au CITI

Scope d’Iramus:

La modélisation actuelle de la couche physique est-elle fiable?

Iramus, Décembre 2005

Introduction

1er constat: Modélisation naïve du canal Modèle à seuil, " tout ou rien“

de la consommation d’énergie Très peu modélisée Très dépendante du matériel et de l’application

Objectifs:Étudier l’impact d’un modèle physique réalisteProposer des alternatives aux solutions existantes

Mise en œuvre:Au travers des réseaux de capteursExemple des protocoles de couverture de surface

Iramus, Décembre 2005

WSN: Wireless Sensor Networks

Batterie infinieBeaucoup de mémoireCapacités de calculWWW, DB, etc.

Batterie non renouvelablePeu de mémoirePeu de capacité de calculModule d’acquisition

Monitored Area

Sink Station

Sink Station

EventSensor

Sensed Area

Iramus, Décembre 2005

Problème de la couverture de surface

⇒ Global: mise en pratique difficile⇒ Local: mise en place de politiques d’auto-organisation⇒ Conserver la connexité du graphe et la couverture de la zone

Idée:  "Mettre les nœuds redondants en mode passifIdée:  "Mettre les nœuds redondants en mode passif""

Contraintes énergétiquesContraintes énergétiquesImpossible de recharger les batteries

Iramus, Décembre 2005

Un nœud u :Connaît sa position et a un niveau d’énergie de 100Zone de communication: un disque de centre u et de rayon CRZone de surveillance: un disque de centre u et de rayon SR

Objectifs:Maximiser le temps de vie du réseauMinimiser le nombre de nœuds actifsAssurer la couverture

Hypothèses initiales

CR

SRu

Iramus, Décembre 2005

Protocole basique

Découverte du voisinage

Décisions et envois des retraits

Activité(surveillance, collecte, etc.)

T1SR1 (x1,y1)

T2SR2 (x2,y2)

T3SR3 (x3,y3)

T4SR4 (x4,y4)

T5SR5 (x5,y5)

T1SR1 (x1,y1)

T2SR2 (x2,y2)

T3SR3 (x3,y3)

T4SR4 (x4,y4)

T5SR5 (x5,y5)

Temps

Construction d’une table de voisinageRéceptions de messages de retraits Décision: actif ou pas?

Passif: envoi d’un message de retraitActif: pas d’envoi de message

Iramus, Décembre 2005

Evaluation:Nœuds actifs et couverture

Maintien de la couverture de zone

Enorme diminution du nombre de nœuds actifs

Iramus, Décembre 2005

Un nœud u :Connaît sa positionZone de communication: un disque de centre u et de rayon CRZone de surveillance: un disque de centre u et de rayon SR

Hypothèses:Remise en question

u

Iramus, Décembre 2005

Modélisation réaliste

Iramus, Décembre 2005

Probabilité de recevoir un bit:

X : modulation employée (BPSK, MPSK, FSK, etc.)No : bruit environnant (blanc, gaussien,etc.)

Eb : énergie d’un bit reçu: Matériel:

puissance d’émission: Pe,fréquence, gain de l’antenne, amplificateur: k

Environnement: distance: dcoefficient d’atténuation: a

Modélisation réalisteBit Error Rate (BER)

Pb= x*erf (√ (Eb/No))

Eb=k*Pe*1/dª

Iramus, Décembre 2005

Probabilité de recevoir un message: N : nombre de bits dans le message

Modélisation réalistePacket Error Rate (PER)

Pp = 1-N*(1-Pb)

Pb= x*erf (√ (Eb/No))

Eb=k*Pe*1/dª

Simplification: X = 0.5 (BPSK) No = constante bruit environnant (blanc, gaussien,etc.)

Eb : énergie d’un bit reçu: Puissance d’émission: Pe = 10 mWK = constantedistance: dcoefficient d’atténuation: a = 2

Iramus, Décembre 2005

Question

Quel est l’impact de cette nouvelle modélisation?

" Tout ou rien " " ça dépend… "

Iramus, Décembre 2005

Impact supposésur le protocole basique

Découverte du voisinage

Décisions et envois des retraits

Activité(surveillance, collecte, etc.)

T1SR1 (x1,y1)

T2SR2 (x2,y2)

T3SR3 (x3,y3)

T4SR4 (x4,y4)

T5SR5 (x5,y5)

T1SR1 (x1,y1)

T2SR2 (x2,y2)

T3SR3 (x3,y3)

T4SR4 (x4,y4)

T5SR5 (x5,y5)

Temps

Construction d’une table de voisinageRéceptions de messages de retraits Décision: actif ou pas?

Passif: envoi d’un message de retraitActif: pas d’envoi de message

Certains retraits ne sont pas reçus=> Mauvaise décision

Iramus, Décembre 2005

Impact réelsur le protocole basique

Mise en péril de l’application

Avant Après

Iramus, Décembre 2005

Protocole basique

Découverte du voisinage

Décisions et envois des retraits

Activité(surveillance, collecte, etc.)

T1SR1 (x1,y1)

T2SR2 (x2,y2)

T3SR3 (x3,y3)

T4SR4 (x4,y4)

T5SR5 (x5,y5)

T1SR1 (x1,y1)

T2SR2 (x2,y2)

T3SR3 (x3,y3)

T4SR4 (x4,y4)

T5SR5 (x5,y5)

Temps

Construction d’une table de voisinageRéceptions de messages de retraits Décision: actif ou pas?

Passif: envoi d’un message de retraitActif: pas d’envoi de message

Iramus, Décembre 2005

Construction d’une table de voisinageRéceptions de messages de retraits d’activitéDécision: actif ou pas?

Passif: envoi d’un message de retrait pas d’envoi de messageActif: pas d’envoi de message envoi d’un message d’activité

Protocole alternatif

Découverte du voisinage

Décisions et envois des retraits

Activité(surveillance, collecte, etc.)

T1SR1 (x1,y1)

T2SR2 (x2,y2)

T3SR3 (x3,y3)

T4SR4 (x4,y4)

T5SR5 (x5,y5)

T1SR1 (x1,y1)

T2SR2 (x2,y2)

T3SR3 (x3,y3)

T4SR4 (x4,y4)

T5SR5 (x5,y5)

Temps

Plus robuste en théorie

Iramus, Décembre 2005

Impact réelsur le protocole alternatif

Avant Après

La couverture est toujours assurée

Iramus, Décembre 2005

Autre alternative:Codes correcteurs d’erreur

=> Possibilité de corriger Les erreurs

=> Augmente la taille des messages => tps d’émission/réception plus longs=> Quel impact? => Quelle consommation induite?

Iramus, Décembre 2005

Contraintes énergétiques fortes dans WSNJustifient la plupart des recherches actuellesProtocole efficace en énergie minimise le nombre de nœuds actifsMais: pas de prise en compte du coût énergétique du protocole lui-même

Exemple courant, on compte:Nombre de nœuds actifsNombre de messages émis

Ca: Coût de l’activité = 1 n: nombre de messages émis Cm: Coût d’une émission K: coefficient d’amortissement, dépend de la durée d’activité

Consommation énergétique: Constat

Coût total = Ca + n*Cm*k

Iramus, Décembre 2005

Evaluation:Le temps de vie

Temps de vie * 3

Iramus, Décembre 2005

Mica 2, BerkeleyCt = Cr = Ce = k*Cs avec 10 < k < 100

Consommation théorique

Intégrer un modèle énergétique plus completCs: Coût de l’activité de surveillanceCt: Coût de la transmissionCr: Coût de la réceptionCe: Coût de l’écoute

Toujours minimiser le nombre

de nœuds actifs?

Oui! Un nœud actif:surveilleparticipe à la collecteparticipe à la diffusion

Iramus, Décembre 2005

Impact

Iramus, Décembre 2005

Protocole alternatif

Découverte du voisinage

Décisions et envois des retraits

Activité(surveillance, collecte, etc.)

T1SR1 (x1,y1)

T2SR2 (x2,y2)

T3SR3 (x3,y3)

T4SR4 (x4,y4)

T5SR5 (x5,y5)

T1SR1 (x1,y1)

T2SR2 (x2,y2)

T3SR3 (x3,y3)

T4SR4 (x4,y4)

T5SR5 (x5,y5)

Temps

décisionMessage 1

Message 2 Message 3

Message 4

Message 5

Décisions et envois des retraits

Optimisation:Diminuer

le temps d’écoute

décision

décisiondécision

décision

Iramus, Décembre 2005

Optimisation:résultats

Iramus, Décembre 2005

Conclusion

Prise en compte d’un modèle de couche physique réalisteDétériore les performancesRobustesse à introduire à quel niveau?

Beaucoup de libertés/possibilités au niveau du protocole À quel prix?

Prise en compte d’un modèle énergétique plus completLa radio est très consommatriceOptimisation du protocole but = moins solliciter la radio

Iramus, Décembre 2005

Perspectives

Evaluer le coût énergétique du codageVoir le gain offert par le codage

Alternatives nombreuses: caractériser les nœuds isolés? Éviter d’être passif si on laisse un nœud isolé

redondance sur les messages en fonction de la distance? distance virtuelle = nb réémissions nécessaires pour un lien

Annoncer des rayons plus faibles dans les messages d’activité? Élimine la possibilité de considérer un nœud entendu par hasard Pour un nœud: le rayon inclus dans le message pourrait être évalué

en fonction des messages déjà reçus

Modélisation d’une couche physiquedans

les réseaux de capteurs

Antoine Gallais

IRCICA/LIFL, CNRS UMR 8022, Université de Lille 1INRIA Futurs, France

Hervé Parvery et Jean-Marie Gorce

CITI/ARES, INSA-Lyon, INRIA Rhone-Alpes, France