Plan

• Introduction - Caractéristiques principales - Architecture globale

• Radio Layer - PHYS Layer - MAC Layer

• Network Layer - Network Architecture and Organisation - Routing

• Transport Layer• Application Layer• Conclusion

• 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

Introduction

• 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

Réseaux de capteurs

• 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

Les noeuds du réseau

Architecture interne

Power UnitPowerGenerator

Aperçu d’un capteur

• 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

Caractéristiques et principales contraintes

• 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

Challenges

• 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)

Architecture globale

• 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

Couches protocolaires

• 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

Partie Radio

• 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

Économie d’énergie

• 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

Couche Physique

• 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’énergieDes compromis sont proposés• Autre proposition: étalement de spectre, DSSS

Schémas de modulation

• 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

Techniques utilisées

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

• 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

La sous-couche MAC

• 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

Limites des couches MAC/PHYS usuelles

• 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

Protocoles MAC

• 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 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

Le Protocole EAR (sur SMACS)

• 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

Hybrid TDMA/FDMA

• 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

CSMA based protocols

• 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

La couche MAC IEEE 802.15.4

• 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

Protocoles MAC orientés économie d’énergie

• 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 asynchrones

•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)

Techniques synchrones

• 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

Contrôle d’erreur

• 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

La couche Réseau

• 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

Network Topology

• 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

Protocoles réseaux

• 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 maisorientés énergie au lieu de QoS

Routage dans les WSNs

• 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)

Topologie hiérarchique

• 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)

Exemple: Protocole LEACH

• 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

Data – Centric Routing, Exemple: SPIN

• 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 2 : Routage «direct diffusion»

• Le routage data centric permet une agrégation

des données avant transmission au sink

Exemple du Data centring routing

• 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

Routage Géographique

• 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

Techniques d’optimisation du routage

• 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

Routage multi hop

Coûts de Routage: Exemple

• 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

Adressage

• 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

• 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

Localisation / Mobilité

• 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 Transport

•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

La Couche Application

• 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

Conclusion