ordonnancement dactivité dans les réseaux de capteurs : lexemple de la couverture de surface...

Ordonnancement d’Activitédans les Réseaux de Capteurs :

l’Exemple de la Couverture de Surface

Antoine Gallais

Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface

2

Projet de recherche POPS

POPS : Petits Objets Portables et Sécurisés Téléphone portable, PDA, carte à puce, étiquette électronique, capteur sans fil, …

Etablir les communications entre ces objets


3

Plan

Les réseaux de capteurs sans fils L’ordonnancement d’activité La couverture de surface par des ensembles connectés

La couverture simple Hypothèses principales et revue de la littérature Contributions

Les relais de couverture de surface Un protocole affranchi de découverte de voisinage

Extension à la couverture multiple

Impact de l’aléa du canal radio Amélioration d'algorithmes existants Comportements de nos contributions

Conclusion et perspectives


4

Plan








5

Les capteurs sans fils

Taille très réduite ressources limitées Capacité limitée de calcul Autonomie énergétique réduite

Communication sans fil Petite distance Faible débit

Acquisition d’informations Température, humidité, intensité lumineuse, etc.


6

Réseaux de capteurs sans fils

Objectif : observation de zones distantes ou sensibles Acquisition d’informations par les capteurs Aucune infrastructure de communication Communications multi-sauts entre les capteurs Informations acheminées jusqu’aux stations de base


7

Réseaux de capteurs sans fils : surveiller une forêt

Station de base


8

Plan








9

Réseaux de capteurs sans fils : économie d’énergie

Une fois déployés, les capteurs sont inaccessibles Impossible de changer ou de recharger les batteries

Mener l’application aussi longtemps que possible

Ordonnancer l’activité des capteurs Seul un sous-ensemble des capteurs participe à l’application

Un capteur peut être actif ou passif Actif : participe aux communications et assure sa part de la tâche Passif : économie d’énergie

TinyNode 584Source : http://www.tinynode.com/uploads/media/SH-TN584-103.pdf


10

Comment désigner les capteurs actifs et passifs ?

Approche centralisée Une entité décide du statut d’activité de chaque capteur

(ex : la station de base)

• Capteur 1 : passif• Capteur 2 : actif…………………• Capteur 9 : passif• Capteur 10 : actif


11


Principal inconvénient d’une approche centralisée La connaissance de la topologie par l’entité centrale doit être parfaite Difficulté et coût de la maintenance de ces réseaux très denses

Environnements plus propices aux pannes• Capteur 1 : actif• Capteur 2 : passif…………………


12


Approche localisée Nul besoin d’infrastructure Décisions simples ne nécessitant qu’une connaissance locale But : obtenir un comportement global cohérent

Actif ou passif ?

Actif ou passif ?

Actif ou passif ?

Actif ou passif ?

Actif ou passif ?

Actif ou passif ?

Actif ou passif ?

Actif ou passif ?


13

Plan








14

Passif

Passif

Passif

Comment maintenir la cohérence de l’application ?

Changements réguliers d’activité Topologie dynamique Assurer que la tâche commune soit accomplie

L’exemple de la couverture de surface Ensemble couvrant

Les capteurs actifs doivent couvrir la même surface que tous les capteurs déployés


15

Comment maintenir la cohérence de l’application ?

Changements réguliers d’activité Topologie dynamique Assurer que la tâche commune soit accomplie

L’exemple de la couverture de surface Ensemble connecté

Tout capteur actif doit pouvoir communiquer avec une station puits Collecte d’informations, remontées d’alertes

Passif


16

Objectif

Solutions localisées pour le maintien de la couverture de surface… …par des ensembles connectés

Passif

Passif

Passif


17

Plan








18

Hypothèses principales

Nœuds statiques et connaissant leurs positions

Modèle du disque unitaire pour Zone couverte par un capteur, rayon de surveillance noté Rs Communication entre deux capteurs

Deux nœuds sont dits « voisins de communication »

si la distance qui les sépare est inférieure au rayon de communication, noté Rc Densité du réseau : nombre moyen de nœuds par zone de communication

u v

d

Rc

Rs


19

Aucune garantie de couverture ni de connexitépour les ensembles de nœuds actifs

Quelles solutions localisées ?

Algorithmes aléatoires Décisions d’activité prises aléatoirement

Algorithmes quasi-aléatoires (ex : PEAS, 2003) Connaissance minimale de l’environnement

Nœuds initialement passifs Réveil régulier de u et envoi d’un message « sonde » Si réponse de la part d’un capteur v à distance d(u,v) < R,

alors retour en mode passif,

sinon actif jusqu’à épuisement

v u

dR

u reste passif?réponse


20

Prérequis pour une solution localisée exacte

Plusieurs méthodes d’évaluation locale de la couverture Méthodes approximatives : points d’une grille ou aléatoires Méthode exacte : intersections de cercles

Si tout point d’intersection entre 2 cercles, situé à l’intérieur de la zone de u, est couvert par un 3ème, alors la zone de u est couverte

4 3

1

2SR

U


21

[Tian et Georganas, 2002] (TG)

Découverte de voisinage

Temps d’attente avant la décision

Période d’activité(observation, collecte de données)

T1Rs1 (x1,y1)

T2Rs2 (x2,y2)

T3Rs3 (x3,y3)

T4Rs4 (x4,y4)

T5Rs5 (x5,y5)

T1Rs1 (x1,y1)

T2Rs2 (x2,y2)

T3Rs3 (x3,y3)

T4Rs4 (x4,y4)

T5Rs5 (x5,y5)

Temps

Découverte de voisinage Messages hello contenant la position

Evaluation de couverture et décision d’activité Pour tout nœud u, fin du temps d’attente :

si couvert alors passif envoi d’un message de retrait Sinon, actif sans envoi de message

4 3

12

U5

Voisins de u Voisins de u


22

La connexité dans les approches localisées

Peu d’approches de couverture considèrent la connexité

[Zhang et Hou, 2003] Ensemble supposé couvrant et connecté initialement Si Rc > 2Rs alors couverture de zone garantie de connexité

vu

Rc

Rs< 2Rs


23

TG et la connexité

Aucune garantie de connexité Rc = Rs

TG + [Jiang et Dou, 2004] (JD) = TGJD Évaluation de couverture de TG gérant des rayons hétérogènes TG augmenté du théorème permet l’obtention

d’ensembles couvrants connectés lorsque Rc > 2Rs

Comment garantir la connexité indépendamment de Rc/Rs ?


24

Plan








25

Une solution assurant couverture et connexité

Un ensemble couvrant déconnecté est inutile

Multipoint relays (MPR, [Adjih, Jacquet et Viennot, 2001]) Sous-ensemble de voisins atteignant tous les voisins à deux sauts

Construction d’ensembles connectés grâce à une règle de décision Un nœud est actif s’il possède le plus petit identifiant

ou s’il est relai du voisin ayant le plus petit identifiant


26

SCR : Surface Coverage Relays [Carle, Gallais et Simplot-Ryl, 2005]

L’ensemble des relais SCR est un ensemble MPR (Rc = Rs) couvre une zone aussi large que celle couverte par tous les voisins Différentes méthodes de construction des ensembles SCR

Connexité garantie par la règle de décision L’ensemble construit est couvrant


27

Bilan sur TGJD et SCR

Décisions locales de faible complexité

Globalement, couverture et connexité garanties Rc > 2Rs ou Rc = Rs

Critique Coûts des communications >> ceux de protocoles (quasi)-aléatoires Nombre moyen de messages émis par chaque nœud

TGJD : 1.9 (message hello + éventuel message de retrait) SCR : 2 (message hello + message annonçant les relais) Protocole aléatoire : 0

Protocole à faible coût de communication qui ne soit pas pour autant aléatoire ?


28

Plan








29

Un protocole sans découverte de voisinage

La phase de découverte du voisinage est coûteuse Au moins la moitié du trafic de contrôle

Proposition S’en affranchir tout en conservant les garanties de couverture et de connexité


30

Connexité : enrichir le critère de décision

Connexité assurée Lorsque Rc > 2Rs (TGJD) Lorsque Rc = Rs (SCR)

[Dai et Wu, 2003] Tout nœud dont les voisins sont connectés peut être

retiré du réseau sans en altérer la connexité

Modification de l’évaluation de couverture passif couvert par un ensemble connecté

Indépendance vis-à-vis du rapport Rc/Rs

D

AB

C

D

AB C


31

Positive-only (PO) [Gallais, Carle, Simplot-Ryl et Stojmenovic 2006]

Construction d’une table de voisinage Emissions de messages de retraits d’activité Décision

Passif : envoi d’un message de retrait pas d’envoi de message Actif : pas d’envoi de message envoi d’un message d’activité

Découverte de voisinage

Temps d’attente avant la décision


T1SR1 (x1,y1)

T2SR2 (x2,y2)

T3SR3 (x3,y3)

T4SR4 (x4,y4)

T5SR5 (x5,y5)

T2SR2 (x2,y2)

T4SR4 (x4,y4)

Temps

4

2

U

Actif : envoi d’un message

Voisins de uVoisins de u


32

Positive-only (Rc = Rs)

1 2

34

5

6

7

1

3

4

5

6

7

actif

vide

?

?

1

1

1

2

actif 1

2

2

2

actif

3

3

?

actif

?

4

4

?

actif

passif

5

?

?

actif


33

Positif et Négatif (Rc = Rs)

1 2

34

5

6

7

1

3

4

5

6

7

actif

vide

1

1

1

2

actif 1

2

2

2

actif

3

3

actif

4

4

actif

passif

5

?

?

passif

Passif

6


34

Les variantes du protocole

PO (« Positive-Only », seuls les nœuds actifs annoncent leur décision)

PN (Positif et Négatif, toute décision est annoncée)

Exploiter la participation aux communications Réception de décisions d’activité plus tardives S’ils peuvent être passifs, ils doivent envoyer un message de retrait

Deux nouvelles variantes PR (Positif et Retrait)

Seuls les nœuds actifs annoncent leur décision, modifiable ensuite

PNR (Positif, négatif et retrait) Chaque nœud annonce sa décision et les actifs peuvent se retirer


35

Réduction du nombre de nœuds actifs (Rc = Rs)

Connaissance complète du voisinage

Connaissance incomplète du voisinage

Densité du réseau

Nœ

uds

actif

s (%

)


36

Forte réduction des coûts de communication

Coûts de communication diminués d’au moins 40%

Densité du réseau

Nom

bre

moy

en d

e m

essa

ges

émis

par

nœ

ud


37

Conclusion sur la couverture simple

Connexité et couverture de surface garanties Décisions locales simples SCR

Solution localisée avec connexité et couverture comme un seul problème Rc = Rs

PO, PN, PR et PNR Indépendance Rc et Rs Proportions compétitives de nœuds actifs Réduction drastique des coûts de communication

Comment passer à la couverture multiple ?


38

Plan








39

La couverture multiple (ou k-couverture) : motivations

Couverture multiple ou k-couverture « Tout point de la zone est observé par au moins k capteurs »

Augmenter la robustesse de l’application Résistance aux pannes

Accroître la confiance des données récoltées Meilleur reflet de la réalité

Identifier les fausses alertes au cours d’une surveillance Ex : un seul capteur observant une augmentation soudaine de température

tandis que cinq autres ne détectent rien

Pourtant, peu de solutions localisées


40

Solutions existantes pour la k-couverture

Peu de solutions localisées Dérivées d’algorithmes centralisés Coûts de communication élevés

Extension des solutions localisées de couverture simple à des algorithmes de couverture multiple ?


41

Nœuds de couche 1Nœuds de couche 2Nœuds de couche 3

Comment aborder la k-couverture ?

Approche plate Pour chaque point physique de la zone

il existe k capteurs capables de l’observer

Approche par couches Il existe k ensembles disjoints

chacun couvrant une fois la zone

La zone est 3-couverte


42

Extension à l’aide d’une approche plate

Modification de l’évaluation de la couverture Tout nœud k-couvert peut décider d’être passif

Tous les mécanismes sont valables pour k Tout point (aléatoire, grille intersection) doit être couvert par k voisins

4 3

12

SR

U


43

Avantages de l’approche plate

Modification de l’évaluation locale de couverture uniquement

Mécanismes de décision identiques (ex : TGJD) Découverte de voisinage suivie d’un message de retrait si le nœud est

couvert par l’ensemble des voisins encore présents Adaptation : nœud passif k-couvert par l’ensemble des voisins restants


44

Approche par couches

k-couvert k ensembles disjoints de voisins assurant chacun la couverture simple Mécanisme d’évaluation de couverture identique

Non k-couvert Actif et choix d’une couche d’activité

Comment choisir localement la couche à rejoindre ?


45

Un protocole adaptatif [Gallais et Carle, 2007]

Décision prise au bout d’un temps d’attente Si k-couvert alors passif sans envoi de message Sinon, actif à la première couche non couvrante

et envoi d’un message contenant le numéro de couche choisie

Exemple d’un nœud u avec k = 3

Temps d’attenteavant la décision


i=1 (x1,y1)

Temps

i=1 (x4,y4) i=2 (x5,y5)

i=1 (x7,y7)

i=2 (x3,y3)

i=2 (x9,y9)

i=2 (x6,y6)

i=1 (x8,y8)

i=1 (x2,y2)

Table de voisinagei=3 (x10,y10)

1

2

3 4

7

8 9

56

10 uNœuds de couche 1 couvrent la zone de u,Nœuds de couche 2 couvrent la zone de u,

u décide d’être actif à la couche 3;Il envoie un message d’activité


46

Avantages de l’approche par couches

Extension possible de nombreux algorithmes localisés Partitionnement du réseau selon k couches Choix de la couche d’activité

aléatoire adaptatif …

Imposer la connexité de chaque couche Couverture multiple assurée par k ensembles connectés


47

Conclusion sur la k-couverture

Solutions localisées pour la couverture multiple Approches plates et par couches

Modification des mécanismes d’évaluation de couverture Partitionnement du réseau en k ensembles disjoints

Extension possible de la majorité des algorithmes

Hétérogénéité de k Evaluation de couverture locale Intéressant lors de véritables déploiements


48

Conclusion sur les solutions étudiées

Plusieurs propositions localisées Couverture et connexité garanties Extension à la k-couverture

En pratique, quels obstacles ? Parmi les hypothèses posées

Disque unitaire pour les communications Disque unitaire pour la zone de surveillance Nœuds immobiles et positionnement parfait


49

Plan








50

Les limites du disque unitaire

Le modèle du disque unitaire (Unit Disk Graph, UDG) Deux nœuds peuvent communiquer si la distance d qui les sépare

est inférieure au rayon de communication Rc

Implications Liens de communication déterministes

Deux nœuds communiquent toujours (u et v) ou jamais (v et w)

Aucun aléa lors des communications

u vd1

Rc w

d2


51

Liens de communication « probables » Influence de nombreux facteurs

Distance Environnement Matériel (gain de l’antenne, fréquence, etc.) Taille des messages

Aléa du canal radio Possible de communiquer « accidentellement » avec un nœud lointain Impossible de communiquer avec un nœud proche

L’aléa du canal radio

Voisinage(u) : 2, 5, 6

u6

35

4

2

Voisinage(u) : tous ou aucun potentiellement

1


52

Modélisation plus réaliste d’un canal radio

Approximation du modèle de masquage lognormal [Kuruvila, Nayak et Stojmenovic,

2005] P(d(u,v)) = probabilité de réception sans erreur entre deux nœuds u et v Les nœuds u et v peuvent évaluer P(d(u,v)) = P(u,v) Liens de communication non déterministes

526

341

4

1

3

5

26 u

6

35

4

21

Soit x = d(u,v),


53

Plan








54

Impact de l’aléa du canal radio [Gallais, Parvery, Carle, Gorce et Simplot-Ryl, 2006]

TGJD Réception probabiliste des hellos sous-connaissance du voisinage Réception probabiliste des retraits connaissance faussée

Les tables de voisinage sont erronées car elles comportent des voisins qui se sont

retirés

Densité du réseau

Sur

face

cou

vert

e (%

)


55

Amélioration de TGJD [Gallais, Ingelrest, Carle et Simplot-Ryl, 2007]

Un nœud u est couvert par un ensemble C uniquement si :

SeuilCuRisque ),(

But du jeu Extraire des voisins non retirés un ensemble couvrant C

ayant un risque minimum (NP-complet)

Heuristique employée Soit A l’ensemble des voisins de u triés par ordre décroissant de P(u,v) Soit C un ensemble vide Tant que C ne couvre pas u, retirer le premier élément de A et l’ajouter à C

Si Risque(u, C) ≤ seuil, alors u est couvert

Cv

vuPCuRisque ),(1),(avec


56

Amélioration de TGJD [Gallais, Ingelrest, Carle et Simplot-Ryl, 2007]

Solution satisfaisantemais mal adaptée

aux variations de densité

Densité du réseau

Sur

face

cou

vert

e (%

)


57

Plan








58

Impact sur PO et PN

Mauvaises Réceptions connaissance différente du voisinage

≠ connaissance erronée Pire cas

aucun message reçu aucun voisin connu actif

Proportions de nœuds actifs légèrement accrues

Densité du réseau

Nœ

uds

actif

s (%

)

Nœ

uds

actif

s (%

)

Densité du réseau


59

Impact sur PR et PNR

Messages de retrait vulnérabilité similaire à TGJD Perte des retraits => décision erronée

Proportions de messages de retrait TGJD : au moins 80% des nœuds se retirent PR et PNR : au plus 5% des capteurs reviennent sur leur décision initiale

Messages « sensibles » en nombre limité par rapport à TGJD


60

Impact sur les proportions de nœuds actifs

Couverture fournie par les nœuds actifs : 99-100%

Densité du réseauN

œud

s ac

tifs

(%)

Nœ

uds

actif

s (%

)

Densité du réseau


61

Bilan

Introduction d’un modèle de canal radio plus réaliste

Chutes de performances pour TGJD Amélioration proposée Dépendante de l’application (réglage du seuil de risque)

Léger impact sur nos solutions Augmentation des proportions de nœuds actifs Pertes de couverture anecdotiques avec PR et PNR


62

Plan








63

Conclusion

Couverture simple Propositions de solutions localisées à faible coût Garantie de connexité pour tout rapport entre Rc et Rs

Couverture multiple Extension des algorithmes localisés Deux approches étudiées

Plate : simple modification de l’évaluation locale de couverture Par couches : modification des mécanismes de décision

K-couverture par couches : surveillance par k ensembles disjoints connectés Contrôle accru de l’activité des capteurs au cours d’une application

Prise en compte d’un modèle de communication plus réaliste Améliorations proposées pour les approches affectées Solutions robustes et toujours économiques


64

Perspectives

Enrichir le modèle de communication Modélisation existante suffisante ? Pertes corrélées, interférences, …

Connexité du réseau avec des liens probabilistes ?

Implémentation des protocoles sur de vrais capteurs Disque unitaire pour les communications Disque unitaire pour la zone de surveillance

Introduction de nouveaux modèles d’observation

(modèles probabilistes, capteurs directionnels)

Nœuds immobiles et positionnement parfait Impact d’algorithmes de localisation peu précis ? Impact ou exploitation de la mobilité (actionneurs) ?

Ordonnancement d’Activitédans les Réseaux de Capteurs :

l’Exemple de la Couverture de Surface

Antoine Gallais

ordonnancement dactivité dans les réseaux de capteurs : lexemple de la couverture de surface...

Documents