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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