Réseaux de capteurs sans fil. Routage dans les réseaux de capteurs sans fil. WSN : caractéristiques. Problématique visée

Transcription

1 Réseaux de capteurs sans fil Routage dans les réseaux de capteurs sans fil V. Felea LIFC - Besançon 9- octobre 8 - ResCom 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 fil munis 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) WSN : caractéristiques mobilité gestion des ressources contrôle de la puissance de transmission modifications fréquentes dans la topologie du réseau partitionnements ad-hoc ad-hoc sans infrastructure taille particularités réseaux de capteurs contraintes énergie espace de stockage QoS temps réel mobilité non filaires non filaires puissance de transmission sensibilité du récepteur bruit interférences perte de paquets routage WSN contraintes Problématique visée taille du réseau capacité énergétique d un capteur taille de stockage d un capteur

2 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 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 6 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 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 7 8

3 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 LS informe tout le monde de la distance vers tout voisin calcul du meilleur chemin localement, grâce à une topologie complète information globale centralisé 9 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 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 : ligne/destination et colonne/voisin, table de routage : ligne/destination) 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 ( niveaux) : intra-zone et inter-zones

4 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 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) 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) 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 :, et 6 surface de déploiement : 8 x 8 rayon de communication pour un capteur : environ 7 (même unité que pour la taille de la surface de déploiement) rayon de zone R (construction de la topologie) :,, (nombre de sauts) nombre de zones NZ :,,,,, 6 7

5 Routage hiérarchique thèse K. Beydoun : évaluation () Surcoût () évaluation de la mise en œuvre de l infrastructure Nombre moyen de messages reçus/envoyés (N=) 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),,,,, NZ = NZ = NZ= NZ= NZ= NZ= R= (reçus) R= (reçus) R= (reçus) R= (envoyés) R= (envoyés) R= (envoyés) 8 9 Surcoût () Taux d erreur Nombre moyen de messages reçus/envoyés (NZ=) Taux d'erreur (N = ) R= (reçus) R= (reçus) R= (envoyés) R= (envoyés) taux d'erreur (%),,,,,,, nombre de zones (NZ) R= R= R= N= N= N=6 NZ = : N \ R 6% % % 8,% 6 %,66%

6 Taux d erreur - causes 8 Découpage en zones (N - R - NZ ) zone zone connectivité entre les nœuds (densité) voir influence de la densité 7 6 zone zone zone zone désignation des nœuds invitants zone 6 zone 7 zone 8 zone 9 zone zone zone zone zone unallotted Taux d erreur : % Découpage en zones (N - R - NZ ) Découpage en zones (N 6 - R - NZ ) zone zone zone zone zone zone zone zone zone zone zone zone 6 zone 7 zone 8 zone 9 zone zone zone zone zone 6 zone 7 zone 8 zone 9 zone zone zone zone unallotted zone zone zone unallotted Taux d erreur : 8,% Taux d erreur :,66% 6

7 Routage hiérarchique thèse K. Beydoun : évaluation () 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 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 6 7 7