Plan - PRiSM

Plan
• Introduction
- Caractéristiques principales
- Architecture globale
• Radio Layer
- PHYS Layer
- MAC Layer
• Network Layer
- Network Architecture and Organisation
- Routing
• Transport Layer
• Application Layer
• Conclusion
Introduction
• What’s a WSN
- But: collecter et transmettre des mesures pour analyse
et traitement
- Très large nombre de noeuds
• Application:
- Militaire
- Géologie, Écologie
- Industrie, chimie, monitoring des unités de production
• Trafic:
- Forte sporadicité et variabilité dans le temps
- Périodique avec une forte corrélation spatiale
Réseaux de capteurs
• Réseau de noeoeuds sans fils dédiés à une
application donnée
• But: Acquérir puis transmettre ces données à une
unité de traitement distante (task manager)
• Le task manager doit être capable de récolter toutes
les données transmises par tous les capteurs pour
analyse
• Agrégation des données reçues avant analyse
• En général: données == mesures
Les noeuds du réseau
• Le capteur: Dispositif qui transforme une grandeur
physique en une autre grandeur utilisable
• Dans un WSN, les grandeurs utilisables sont des
données numériques (Convertisseur A/N)
• Les capteurs doivent par ailleurs être capables de
transmettre à distance les données numériques
Les noeuds du réseau
• Éléments constitutifs:
- Le capteur lui-même
- Microprocesseur embarqué (avec Tiny OS)
- Mémoire (stockage)
- Carte réseau radio
- Alimentation, dispositif d’énergie
- Dispositif de localisation (GPS)
- Dispositif de mobilité
Architecture interne
Power
Generator
Power Unit
Aperçu d’un capteur
Caractéristiques et principales
contraintes
• Spécificités des noeoeuds d’un WSN par rapport à
ceux d’un réseau radio usuel
- Liées au noeoeud lui-même
- Liées au mode de déploiement
• Contraintes:
- Énergie limitée (hardware constraints)
- Faible capacité de stockage
- Faible capacité de calcul
- Taille limitée
- Pannes fréquentes
- Nombre élevé
- Déploiement aléatoire des noeuds
Challenges
• Économie et utilisation optimale des batteries
• Réactivité
• Robustesse, tolérance au fautes
• Passage à l’échelle, Scalability
• Coordination et coopération
• Support de noeoeuds hétérogènes
• Auto configuration et optimisation/adaptation
• Fiabilité réseau et radio
• Sécurité
Architecture globale
• Déploiement des noeoeuds radio
- Aléatoire ou structuré
- Un seul déploiement ou en plusieurs phases
(progressif, incrémental)
- Homogène ou hétérogène
• Topologie du réseau de capteurs
- En étoile
- Maillée/en grille
- Hiérarchique (clustering)
• But: Optimiser la connectivité
Architecture globale
• Sink (puit): Récolte des données (mesures)
• Task manager: traitement des données récoltées
(user plane)
Couches protocolaires
• Network planes:
- Task management plane
+ Définition des taches de mesures
+ Coordination entre les différents noeuds voisins
- Mobility and localisation plane
+ Identification du voisinage
+ Optimisation du routage
- Power management plane
+ Définition des modes d’économie d’énergie
+ Coopération entre les noeuds
Couches protocolaires
Partie Radio
• La partie radio comprend
- La couche physique
- La couche MAC sous couche de la couche Liaison de
données du modèle OSI
• Elle se présente sous forme d’une carte réseau
radio, ou radio transceiver
• Plusieurs normes sont définies pour les 2 couches
• La couche radio est gourmande en énergie et est
ciblée par l’économie d’énergie dans les WSNs
Économie d’énergie
• Éteindre le transceiver dès qu’il y a inactivité de
la couche radio
• Problème: consommation importante à «
l’allumage »
• Définition d’un temps d’inactivité « seuil » au
delà duquel le transceiver doit être éteint
• Définition de plusieurs « saving mode » en paliers
Économie d’énergie
• Les mode d’économie d’énergie au niveau
MAC/PHYS doivent prendre en compte:
- L’énergie disponible (niveau batteries)
- Choix du type de control d’erreur
- Les différents modes d’économie
- La mobilité éventuelles
• Un partage efficace et une coopération entre
les noeuds peut être envisagée
Couche Physique
• Rôle principal:
• Sélection et calage fréquence
• Génération de la porteuse
• Détection du signal
• Modulation
• Doit être adaptée au conditions de déploiement
et aux contraintes liées à l’architectures des
capteurs
Couche Physique
• Problématique:
- Puissance de transmission réduite => Portée réduite
- Effets de propagation et fading importants dus à la proximité
au sol
- Taille d’antenne réduite => Longueur d’onde réduite
 Portée réduites, compromis puissance de
transmission/distance max difficile à trouver…
 Frequency reuse scheme et/ou Multi-hop nécessaire
Schémas de modulation
• Choix critique en terme de consommation
d’énergie et de transmission
• Choix Binaire/M-aire
- M-aire: économique au niveau transmission
radio
- Binaire: économique au niveau taille des
circuits et consommation d’énergie
Des compromis sont proposés
• Autre proposition: étalement de spectre, DSSS
Techniques utilisées
• Utilisation de l’ultra-wide band, UWB (impulse
radio)
- Modulation à base d’impulsion de faible durée
(très faible rapport cyclique)
- Très large bande passante, très courte distance
- Faible puissance, résistance au multi trajets
• Contrôle de puissance au niveau radio
• Optimisation des temps de synchronisation
Data Link Layer
• Sous-couche MAC
- Gestion de l’accès multiple au medium, multiplexage
- Détection des trames
• Sous-couche LLC
- Fiabilisation de l’échange de données sur les liens du
réseau
- Contrôle d’erreurs
• Nécessité d’une sous couche MAC radio
adaptée au contexte WSN
La sous-couche MAC
• Propriétés principales:
• Auto organisée pour la création de l’infrastructure du
réseau de capteurs à partir d’un déploiement
aléatoire
• Radio multi sauts pour assurer la connectivité
malgré les faibles portées et la forte densité de
noeuds
• Partage équitable et efficace du canal radio entre
tous les noeuds
Limites des couches MAC/PHYS usuelles
• Contexte cellulaire
- Inapproprié pour les raisons de consommation d’énergie
- Incompatible avec le mode de déploiement
• Bluetooth
- Sans infrastructure, courte portée (dizaine de mètres, pico
net)
- TDMA, puissance ~ 20 dBm
- Taille limitée (un noeoeud master et 7 noeoeuds slave)
• MANETs (ex IEEE 802.11 IBSS) conçus pour
garantir une QoS avec des liens inter noeuds
Protocoles MAC
•
CSMA:
- Adapté pour le trafic sporadique, aléatoire
- Écoute du support (porteuse) coûteux en énergie
• TDMA:
- Minimisation du coût de d’écoute sur le canal
(minimise l’ idle listening)
- Coût de synchronisation élevé
• FDMA:
- Coût de réception élevé
• TDMA – FDMA : architecture centralisée
Le Protocole SMACS
• Self-Organizing MAC for Sensor Networks
- Protocole distribué, sans master node
- Les noeoeuds forment une infrastructure auto organisée
après découverte du voisinage
- Un lien (duplex) est défini comme une paire de time
slot (TDMA) sur une séquence de saut de fréquence
• Gestion et économie de l’énergie:
- Pendant les slots idle
- Pendant la phase d’établissement de la connexion
• Optimisation de l’utilisation de la bande passante?
Le Protocole EAR (sur SMACS)
• Eavesdrop And Register (écoute et enregistrement)
- Pour l’enregistrement des noeoeuds mobiles
- Tirer profit des messages réguliers d’invitation des
noeuds fixes
- Construction par les noeoeuds mobiles d’une liste des
noeuds fixes dans leur voisinage
- Utilisation des paramètre radio (SNR) et réseau (IDs)
pour le choix du lien, puis enregistrement du mobile
• EAR transparent par rapport à SMACS
Hybrid TDMA/FDMA
• Combiner les 2 modes d’accès multiple
• Mode centralisé (base station nécessaire dans un
rayon de 10 m)
• But: faire un compromis entre les coûts de
consommation d’énergie des mode TDMA et FDMA
• Nombre de canaux à déterminer
• Fonction: rapport des consommations en émission
et en réception
CSMA based protocols
• Doivent être adaptés au cas WSN
- Sporadique mais avec une forte corrélation
- Forte périodicité
• Limitation de la durée d’écoute pour réduire
l’énergie consommée
• Ajout d’un délai aléatoire après le backoff pour
éviter les envois synchronisés dus à la corrélation
• Décalage au niveau de l’application, phase shift,
pour briser la synchronisation E-R
La couche MAC IEEE 802.15.4
• Conçue pour les réseaux à bas débit et faible portée
(LR-WPAN)
• Adaptés au applications WSN
• Architecture en étoile (WPAN coordinator)
• Définit une super trame composée de:
- Slot balise périodique
- Partie active
+ CAP, accès avec contention
+ CFP, accès sans contention
- Partie inactive, sleep
La couche MAC IEEE 802.15.4
• Les durées des différentes sub-frames sont
variables (paramétrable par le PAN coordinator)
• La balise permet la synchronisation et contient
l’allocation des slots réservés, Guaranteed Time Slots
GTS dans la partie CFP
• Dans la partie CAP, l’accès se fait avec contention
en utilisant l’algorithme CSMA/CA
• La partie sleep permet d’économiser l’énergie des
noeuds
• Les durées des phases sont ajustables en fonction
de l’état du réseau
Protocoles MAC orientés économie
d’énergie
• La plupart sont basés sur des techniques de mise
en veille « sleep » de la couche radio pour l’économie
d’énergie
• Des techniques existent déjà sur les couches radio
MAC/PHYS actuelles comme IEEE 802.11
• Techniques spécifiques :
- Techniques asynchrones
- Techniques synchrones (scheduled)
• Problème: techniques coûteuses en termes de délai
et de débit
Techniques asynchrones
• Utilisation de 2 couches radio
- Primaire, mise en veille lors des périodes inactives
- Secondaire, économique, utilisée pour détecter un
éventuel signal « wake up »
• Envois répétés de demandes de réveil (RTS) jusqu’à
détection avant émission
• Envoi de long préambules avant activité pour
permettre au noeuds en sleep mode d’avoir une
courte période d’écoute
- Problème: mauvaise utilisation spectrale
 synchroniser le préambule par rapport au récepteur
Techniques synchrones
•Synchronisation des périodes d’activité et d’inactivité
(schedule definition)
• Un premier noeud synchronizer doit initier le
schedule et le diffuser
• Les autres noeoeuds adoptent ce schéma et sont
appelés followers
• La synchronisation doit se faire à intervalle régulier
• Certains noeoeuds doivent pouvoir se synchroniser
sur plusieurs synchronizers
• Protocoles: S-MAC, Sensor MAC et TMAC, Timeout
MAC (frontière dynamique)
Contrôle d’erreur
• Couche LLC, sous-couche de liaison de
données
• FEC: Forward error correction, correction au
niveau du récepteur grâce aux check bits
- Économie en terme de re-transmissions
- Perte de bande passante
- Coût au niveau de la puissance de calculs
• ARQ: Auto Repeat ReQuest, correction par
retransmission
- Coût de retransmission non négligeable
La couche Réseau
• Rôle: Routage (et adressage)
• Caractéristiques principales à prendre en
compte:
- Déploiement et topolgie
- Densité importante de noeoeuds
- « Self organising »
- Routage multi hop
- Le routage doit prendre en compte le coût « énergie » et le
niveau batterie des noeoeuds impliqués
La couche Réseau
• Différence avec les réseaux ad hoc
- Nombre de noeoeuds important (sans ID obligatoire)
et densité importante
- Pannes fréquentes, topologie variable
- Les flux de données sont orienté vers le sink (many
to one) alors que dans les réseaux ad hoc ils sont du
type any to any
- Utilisation du broadcast
- L’objectif est unique et commun à tous les noeoeuds
- Routage orienté contenu (data – centric) et non
orienté adresse
Network Topology
• Déploiement structuré:
- Topologie en grille/maillée uniforme
- En étoile si faible nombre de noeoeuds
• Déploiement aléatoire:
- En étoile si faible nombre de noeoeuds
- Topologie maillée hétérogène
- Hiérarchique, en cluster auto organisé
Protocoles réseaux
• Le type de déploiement, la topologie et le
routage sont inter – dépendants
• Protocoles de routages:
- Routage plat, orienté contenu (diffusion, direct diffusion)
- Routage hiérarchique
- Routage géographique
- Routage périodique (requête/réponse, monitoring,
événementiel)
- Hybrides
Routage dans les WSNs
• Trouver le chemin vers le sink
• La notion d’ID n’existe pas forcément dans les
réseaux WSNs
• Les protocoles de routage dépendent du mode
de déploiement
- Déploiement structuré: routage prédéfini
- Déploiement aléatoire: découverte de chemins
nécessaire
• Techniques analogues au routage ad hoc mais
orientés énergie au lieu de QoS
Topologie hiérarchique
• La plus adaptée au contexte WSNs
• Élection d’un « cluster head » localement
• 2 niveau dans le réseaux
- Niveau local (cluster)
- Niveau plus global (inter cluster head)
• Réduction du nombre de sauts au sein de
chaque cluster
 Réduction du coût de transmission dans chaque cluster
 Réduction du coût de routage dans chaque cluster
Topologie hiérarchique
• Réutilisation de la bande passante (frequency reuse)
et donc économie de spectre
• La formation des cluster et le choix des cluster doit
être adaptatif
- Adaptation au terrain
- Gestion des pannes
- Gestion de la mobilité éventuelle
- Adaptation aux fluctuations des niveaux d’énergie
• Particulièrement adaptée aux réseaux hétérogènes
Topologie hiérarchique
• Des liens sont crées entre les Cluster Head
- Construction du réseau global
- Multi saut jusqu’au sink
- Peuvent être des liens filaires (infrastructure préétablie)
• En déploiement aléatoire, l’élection du noeoeud
Cluster Head (self-election) se fait sur la base:
- Position dans le réseau
- L’énergie disponible
- Puissance de calcul/computing
- Transmission réseau disponible (bandwidth)
Exemple: Protocole LEACH
• LEACH: Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy
• Organisation des clusters sur la base de la
puissance reçue
• Élection (self election) du cluster head basée sur
le niveau batterie
• Rotation des cluster head en fonction des
•changement des variations
• Data-centric: agrégation/fusion des données récoltées
par le cluster head (économie)
Data – Centric Routing, Exemple: SPIN
• Sensors Protocol for Information via Negotiation
• Routage plat
• Orientation contenu, pas besoin de mécanisme
d’adressage
• La diffusion se fait sur les méta-données
(Advertisement)
• Les noeuds intéressés répondent par une requête
pour réception des données récoltées.
• Au final, les mesures seront accessibles par tous
les noeoeuds du WSNs
Exemple 2 : Routage «direct diffusion»
• Routage plat
• Orientation contenu, pas besoin de mécanisme
d’adressage
• Le sink envoie en requête son « intérêt »
• En réponse, le noeoeud envoie ses données
(mesures) estampillée de la date
• Déduction est faite de la qualité des liens
• Économique en énergie par rapport à l’inondation
• Coût de processing
Exemple du Data centring routing
• Le routage data centric permet une agrégation
des données avant transmission au sink
Routage Géographique
• Importance de la localisation dans le routage
• Routage géographique: prise en compte de la
longueur des liens radio autant que du nombre
de sauts (compromis possible)
• Orientation « contenu » du réseau WSN:
- Les requêtes d’information sont fonction des
mesures demandées
- Les demandent dépendent de la région plutôt que
des adresses ou ID des noeuds
Techniques d’optimisation du routage
• Principe:
- Chemin le plus économique en énergie
- Chemin le plus durable (énergie)
- Robustesse
• Utilisation de la diversité
- Duplication de la réception: robustesse
- Économique en cas de retransmission
• Combiner robustesse et coût (compromis)
- Utilisation de la diffusion (avec des crédits) et du Multipath
routing (robustesse)
- Pondérer par des métriques de coûts de liens
Routage multi hop
• Prise en compte du facteur énergie en priorité dans
la recherche de route (avant le facteur débit/délai)
- Coût des liens radio à minimiser
- Énergie totale disponible (niveau batterie sur les noeuds
impliqué dans la route) à maximiser
- Énergie minimale disponible sur les noeoeuds
- Nombre de sauts
• Ajouter l’optimisation de charge et des flux aux
coûts en terme d’énergie
Coûts de Routage: Exemple
Adressage
• Dépend des applications des réseaux WSNs
• Dans certains cas, pas d’identifiants requis pour les
capteurs
• Si le protocole IP est utilisé:
- Protocoles d’auto-adressage
- Assignation automatique, spontanée lors de la
formation du réseau
- Utilisation de l’identifiant MAC (unique) pour la
construction de l’adresse
- Exemple: IPv6
Localisation
• Souvent nécessaire pour
- Identifier et préciser les mesures réalisées ainsi que les
requêtes
- Améliorer la couverture du terrain
- Optimiser le routage et faire de l’équilibrage de charge
- Former les clusters
• Techniques:
- Utilisation du GPS
- Techniques de localisation utilisées dans les réseaux
radio mobiles
Localisation / Mobilité
• But: Utiliser la localisation pour gérer l’emplacement
des capteurs
• Utilisation de robots:
- Pour des effectuer des déplacements et des mesures
localisées
- Pour déplacer des cluster head dans un but d’équilibrage
de charge en utilisant par exemple la localisation des
noeuds défaillants
La Couche Transport
• Rôle: fiabiliser la communication de bout en bout
• Nécessaire pour un accès du WSN via réseau externe
ou par Internet
• Le protocole UDP est préféré pour les WSNs car
moins coûteux (mémoire limitée) mais moins efficace
que TCP
• Solution pont L4:
- Liens sink – noeoeud du réseau distant: TCP
- Liens sink – noeoeud du réseau WSN: UDP
La Couche Application
•Responsable de la l’acquisition des données (mesures
récoltées)
•Responsable de la présentation des mesures
effectuées et de la réception/réponses aux requêtes
distantes
•Approches analogues aux requêtes/réponses dans les
systèmes de bases de données
•Approche data centric
•SQLT [8]: Sensor Query and Tasking Language
La Couche Application
• L’application implique souvent une coopération
et une corrélation entre les noeuds
• L’application peut interagir avec les couches
basses ou les autres plans pour:
- Adapter les mesures aux terrain en utilisant la localisation
- Exemple: Assigner des taches différentes en fonction
des coordonnées des capteurs
- Échange d’information pour éviter des mesures redondantes
(arrêt des redondances et donc, économie d’énergie)
- Demander un déplacement de mobile
Conclusion
• Particularités des capteurs
- Faible puissance de calcul, énergie, petite taille
- Nature même des données à gérer: taches simples
(mesures)
- Optimisation de l’énergie est primordiale avant la QoS
• Contradictions possibles entre énergie et Délai
d’accès, débit
• Compromis à trouver entre performance et
• consommation