Routage dans les réseaux de capteurs sans fil Réseaux de capteurs

Réseaux de capteurs sans fil
• domaines de la microélectronique, de la
micromécanique, de l’informatique
Routage dans les réseaux de
capteurs sans fil
 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)
V. Felea
LIFC - Besançon
9-10 octobre 2008 - ResCom
• plusieurs micro-capteurs
– collecte et transmission de données environnementales vers un
ou plusieurs points de collecte (sink)
– déploiement
 réseaux de capteurs sans fil (WSN)
1
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
Problématique visée
• routage WSN
• contraintes
mobilité
– taille du réseau
– capacité énergétique d’un capteur
– taille de stockage d’un capteur
particularités
réseaux de capteurs
contraintes
énergie
espace de
stockage
QoS
temps réel
2
non filaires
non filaires
• puissance de
transmission
• sensibilité du
récepteur
• bruit
• interférences
• perte de paquets
3
4
1
Routage hiérarchique – thèse K.
Beydoun : objectifs applicatifs
Routage : choix
• routage à base d’une topologie
• routage géographique
• contexte d’applications : orientation des
aveugles / guidage des voitures
• conscience (awareness) de l’état de
l’environnement
Contexte :
• pas d’information de localisation des nœuds
– balisage de l’environnement
– informations statiques / dynamiques
– équipement trop cher et coûteux en énergie
– surface importante de déploiement et grand nombre
de nœuds
– précision modeste dans des circonstances
particulières et variables
• construction d’une "route" adéquate en
fonction de cet état vers une certaine
destination
5
6
Routage hiérarchique – thèse K.
Beydoun : objectifs recherche
Routage
• hypothèses
Problématique
• routage dans les réseaux de capteurs
–
–
–
–
Objectifs
• minimiser la consommation énergétique
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
– déploiement à grande échelle
– réactif / proactif / hybride
• maximiser la durée de vie du réseau
• efficacité (débit, latence)
coût réduit
• Link State / Distance-Vector
– LS (Dijkstra) : envoie peu à tout le monde
– DV (Bellman-Ford) : envoie beaucoup à peu de
monde
7
8
2
Algorithmes LS/DV
Routage WSN : compromis
• réseaux de grande taille
• 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 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
• 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
Enjeux du routage dans les WSNs
• capacité énergétique limitée des capteurs
• taille du réseau
11
Routage hiérarchique – thèse K.
Beydoun : approche
• architecture de déploiement (infrastructure) :
zones
– 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)
– 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)
• choix LS / DV
• protocole de routage
– 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)
– pas d’informations globales
– métrique : nombre de sauts
– hiérarchique (2 niveaux) : intra-zone et inter-zones
12
13
3
Routage hiérarchique : principe
Routage hiérarchique : topologie
• intra-zone
• nœuds invitants : déclencheurs de la
construction de l’infrastructure
– (généralement) entre des nœuds frontières de la
zone
– algorithme DV, métrique : nombre de sauts
– paramètres : rayon maximum d’une zone et
nombre de nœuds invitants
– aucun rôle de gestionnaire
• 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
• nœuds frontières
– rôle : relais entre les zones (point d’entrée)
• table interne DV (nombre de sauts)
• nœuds normaux
14
Evaluation du protocole de routage
15
Configuration de la simulation
• simulateur JSim
• 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)
16
– 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
17
4
Routage hiérarchique – thèse K.
Beydoun : évaluation (1)
Surcoût (1)
• évaluation de la mise en œuvre de
l’infrastructure
Nombre moyen de messages reçus/envoyés (N=300)
– 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)
5
4,5
4
R=15 (reçus)
3,5
R=20 (reçus)
3
R=25 (reçus)
2,5
R=15 (envoyés)
2
R=20 (envoyés)
1,5
R=25 (envoyés)
1
0,5
0
NZ = 15
NZ = 20
NZ=25
NZ=30
NZ=35
NZ=40
18
19
Surcoût (2)
Taux d ’erreur
Taux d'erreur (N = 300)
Nombre moyen de messages reçus/envoyés (NZ=15)
30,0
10
taux d'erreur (%)
25,0
9
8
7
R=15 (reçus)
6
R=25 (reçus)
5
R=15 (envoyés)
4
R=25 (envoyés)
20,0
R=15
15,0
R=20
10,0
R=25
5,0
0,0
15
20
3
25
30
35
40
nombre de zones (NZ)
2
1
NZ = 15 :
0
N=300
N=400
N=600
20
N \ R
15
25
300
400
26%
10%
24%
8,25%
600
1%
0,66%
21
5
Découpage en zones (N 300 - R 25 - NZ 15)
Taux d’erreur - causes
800
zone 0
zone 1
700
• connectivité entre les nœuds (densité)
zone 2
zone 3
600
– voir influence de la densité
zone 4
zone 5
zone 6
500
• désignation des nœuds invitants
zone 7
zone 8
400
zone 9
zone 10
300
zone 11
zone 12
200
zone 13
zone 14
100
unallotted
0
0
100
200
22
300
400
500
600
700
800
23
Taux d’erreur : 24%
Découpage en zones (N 400 - R 25 - NZ 15)
Découpage en zones (N 600 - R 25 - NZ 15)
800
800
zone 0
700
zone 0
zone 1
700
zone 2
zone 1
600
zone 2
zone 3
600
zone 4
zone 3
zone 4
500
zone 5
zone 5
500
zone 6
zone 6
zone 7
zone 7
400
zone 8
400
zone 8
zone 9
zone 10
300
zone 11
zone 9
300
zone 10
zone 11
zone 12
zone 13
200
zone 12
200
zone 14
zone 13
unallotted
zone 14
100
100
unallotted
0
0
0
0
100
200
300
400
500
Taux d’erreur : 8,25%
600
700
100
200
300
400
500
600
700
800
800
24
Taux d’erreur : 0,66%
25
6
Routage hiérarchique – thèse K.
Beydoun : évaluation (2)
Perspectives
• évaluation du routage (en cours)
• tolérance aux fautes
– surcoût (nombre de messages de contrôle pour la
construction des tables de routage)
– durée de vie
– taille de stockage
– mobilité
• mobilité inexistante pour les capteurs
• mobilité du nœud sink
– énergie d’un nœud en dessous d’un seuil :
disparition des liens
• approches comparatives
– DV non hiérarchique
– HPAR (zone routing protocol)
• mise à jour des informations de liens
• mobilité
• métrique d’énergie
• vue globale de la zone par nœud
26
27
7