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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
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
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
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
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