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Routage dans les réseaux de capteurs sans fil

V. FeleaLIFC - Besançon

9-10 octobre 2008 - ResCom

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Réseaux de capteurs sans fil• domaines de la microélectronique, de la

micromécanique, de l’informatique composants micro = micro-capteurs– unité de capture de grandeurs physiques (en les transformant en grandeurs utilisables)– unité de traitement et de stockage– module de transmission sans filmunis d’une ressource énergétique (batterie)

• plusieurs micro-capteurs– collecte et transmission de données environnementales vers un

ou plusieurs points de collecte (sink)– déploiement réseaux de capteurs sans fil (WSN)

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WSN : caractéristiques

particularités

réseaux de capteurs

contraintes

non filaires

énergie

espace de stockage

QoStemps réel

non filaires• puissance de

transmission• sensibilité du

récepteur• bruit• interférences• perte de paquets

ad-hoc

ad-hoc• sans

infrastructure

taille mobilité

mobilité• gestion des ressources• contrôle de la puissance

de transmission• modifications fréquentes

dans la topologie du réseau

• partitionnements

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Problématique visée

• routage WSN• contraintes

– taille du réseau– capacité énergétique d’un capteur– taille de stockage d’un capteur

2

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Routage : choix• routage à base d’une topologie• routage géographique

Contexte : • pas d’information de localisation des nœuds

– équipement trop cher et coûteux en énergie– surface importante de déploiement et grand nombre

de nœuds– précision modeste dans des circonstances

particulières et variables

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Routage hiérarchique – thèse K. Beydoun : objectifs applicatifs

• contexte d’applications : orientation des aveugles / guidage des voitures

• conscience (awareness) de l’état de l’environnement– balisage de l’environnement– informations statiques / dynamiques

• construction d’une "route" adéquate en fonction de cet état vers une certaine destination

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Routage hiérarchique – thèse K. Beydoun : objectifs recherche

Problématique• routage dans les réseaux de capteurs

Objectifs• minimiser la consommation énergétique

– déploiement à grande échelle• maximiser la durée de vie du réseau• efficacité (débit, latence)

coût réduit

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Routage• hypothèses

– homogénéité (type d’information captée), – liens bidirectionnels– capteurs fixes, sink mobile peu de mobilité– (pour l’instant) couche MAC assurant la fiabilité des

communications (pas de perte de paquets)• inspiré des réseaux ad hoc : tables de routage

– réactif / proactif / hybride• Link State / Distance-Vector

– LS (Dijkstra) : envoie peu à tout le monde– DV (Bellman-Ford) : envoie beaucoup à peu de

monde

3

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Algorithmes LS/DV• DV

informe les voisins des distances vers toutes les destinations

+ totalement décentralisé+ mise en œuvre simple+ besoins: moins de mémoire et temps d’exécution– problème de boucle (si des nœuds ou liens tombent

en panne)– passage à l’échelle délicate

• LSinforme tout le monde de la distance vers tout voisincalcul du meilleur chemin localement, grâce à une

topologie complète information globale– centralisé

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Routage WSN : compromis• réseaux de grande taille

– LS utilise info globale taille de stockage importante– mais capacité de stockage limitée pour un capteur

• gestion des ressources– WSN : énergie limitée– nœuds en panne mobilité– changement de topologie – messages de contrôle de

la topologie– nombre minimum de messages échangés

topologie

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Enjeux du routage dans les WSNs• capacité énergétique limitée des capteurs• taille du réseau

– stockage– coût de maintien

• taille + minimiser surcoût découpage• énergie + minimiser surcoût critère équivalent au

critère énergétique (nb sauts)– d’autres métriques ? màj périodiques (métriques dynamiques)

• choix LS / DV– ressource critique : batterie minimiser le nombre de

messages échangés et le temps de calcul : DV (dépend du nombre de voisins)

– espace de stockage limité : DV (table de distance : 1 ligne/destination et 1 colonne/voisin, table de routage : 1 ligne/destination)

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Routage hiérarchique – thèse K. Beydoun : approche

• architecture de déploiement (infrastructure) : zones– déterminées à base de la métrique de nombre de

sauts– disjointes (structure déterminée par des réponses aux

messages d’invitation)– forme : non précise (dépend de la dynamique des

messages)

• protocole de routage – pas d’informations globales– métrique : nombre de sauts – hiérarchique (2 niveaux) : intra-zone et inter-zones

4

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Routage hiérarchique : topologie

• nœuds invitants : déclencheurs de la construction de l’infrastructure– paramètres : rayon maximum d’une zone et

nombre de nœuds invitants– aucun rôle de gestionnaire

• nœuds frontières– rôle : relais entre les zones (point d’entrée)

• nœuds normaux

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Routage hiérarchique : principe• intra-zone

– (généralement) entre des nœuds frontières de la zone

– algorithme DV, métrique : nombre de sauts• inter-zone

– zone représentée par un des nœuds frontières (qui ont la même information de routage) : le plus grand ID dans la zone

– algorithme DV, métrique (à évaluer) : moyenne des longueurs des chemins de la zone entre les nœuds frontières

• table interne DV (nombre de sauts)

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Evaluation du protocole de routage

• énergie– durée de vie– nombre de messages (nombre de sauts)– mise en veille (zones non concernées par le routage)

• taille stockage– structures de données

• surcoût– nombre de messages de contrôle (de la topologie et

du routage)

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Configuration de la simulation• simulateur JSim

– environnement à base de composants Java– modélisation et simulation des réseaux (framework pour la

simulation des réseaux de capteurs)• nombre de nœuds N : 300, 400 et 600• surface de déploiement : 800 x 800• rayon de communication pour un capteur : environ 70

(même unité que pour la taille de la surface de déploiement)

• rayon de zone R (construction de la topologie) : 15, 20, 25 (nombre de sauts)

• nombre de zones NZ : 15, 20, 25, 30, 35, 40

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Routage hiérarchique – thèse K. Beydoun : évaluation (1)

• évaluation de la mise en œuvre de l’infrastructure– surcoût : nombre de messages de contrôle

(estimation de l’énergie)– taux d’erreur (nombre de nœuds non affectés

à une zone)• (en cours) comparaison avec l’algorithme

de Lin (clusters – métrique : nombre de sauts)

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Surcoût (1)

Nombre moyen de messages reçus/envoyés (N=300)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

NZ = 15 NZ = 20 NZ=25 NZ=30 NZ=35 NZ=40

R=15 (reçus)

R=20 (reçus)

R=25 (reçus)

R=15 (envoyés)

R=20 (envoyés)

R=25 (envoyés)

20

Surcoût (2)

Nombre moyen de messages reçus/envoyés (NZ=15)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

N=300 N=400 N=600

R=15 (reçus)

R=25 (reçus)

R=15 (envoyés)

R=25 (envoyés)

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Taux d ’erreur

Taux d'erreur (N = 300)

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

15 20 25 30 35 40

nombre de zones (NZ)

taux

d'e

rreu

r (%

)

R=15

R=20

R=25

0,66%1%6008,25%10%40024%26%3002515N \ RNZ = 15 :

6

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Taux d’erreur - causes

• connectivité entre les nœuds (densité)– voir influence de la densité

• désignation des nœuds invitants

23Taux d’erreur : 24%

Découpage en zones (N 300 - R 25 - NZ 15)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 100 200 300 400 500 600 700 800

zone 0

zone 1

zone 2

zone 3

zone 4

zone 5

zone 6

zone 7

zone 8

zone 9

zone 10

zone 11

zone 12

zone 13

zone 14

unallotted

24

Découpage en zones (N 400 - R 25 - NZ 15)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 100 200 300 400 500 600 700 800

zone 0

zone 1

zone 2

zone 3

zone 4

zone 5

zone 6

zone 7

zone 8

zone 9

zone 10

zone 11

zone 12

zone 13

zone 14

unallotted

Taux d’erreur : 8,25% 25

Découpage en zones (N 600 - R 25 - NZ 15)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 100 200 300 400 500 600 700 800

zone 0

zone 1

zone 2

zone 3

zone 4

zone 5

zone 6

zone 7

zone 8

zone 9

zone 10

zone 11

zone 12

zone 13

zone 14

unallotted

Taux d’erreur : 0,66%

7

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Routage hiérarchique – thèse K. Beydoun : évaluation (2)

• évaluation du routage (en cours)– surcoût (nombre de messages de contrôle pour la

construction des tables de routage)– durée de vie– taille de stockage

• approches comparatives– DV non hiérarchique– HPAR (zone routing protocol)

• métrique d’énergie• vue globale de la zone par nœud

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Perspectives

• tolérance aux fautes– mobilité

• mobilité inexistante pour les capteurs• mobilité du nœud sink

– énergie d’un nœud en dessous d’un seuil : disparition des liens• mise à jour des informations de liens• mobilité