simulation de réseaux de capteurs sans fil
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1ECoFac-2012
Simulation de rSimulation de r ééseaux de seaux de capteurs sans filcapteurs sans fil
D. NavarroD. Navarro, F. , F. MieyevilleMieyeville
InstitutInstitut des Nanotechnologies de Lyon (INL) des Nanotechnologies de Lyon (INL)
2ECoFac-2012
Plan
� Introduction aux WSN (Wireless Sensor Networks)
� Aspect multidisciplinaire des WSN: problématiques
� Simulations
� Exemple de simulateur : IDEA1
� Conclusion
3ECoFac-2012
WSN - Introduction
Définitions :
� Réseaux composés d'éléments (noeuds) avec une forte contrainte énergétique (autonomie > 1 an).
� Les nœuds enregistrent et transmettent les grandeurs physiques qu'ils mesurent.
� Une tête de réseau (coordinateur) reçoit les informations des nœuds (brutes ou agrégées)
� Les communications sont directes ou indirectes, d’où des topologies de réseau
Topologies inspirées des recherches sur les réseaux
informatiques
4ECoFac-2012
WSN - Introduction
Applications :
� Enregistrement de données (ex: environnement)
� Surveillance et suivi (ex: personnes, biens)
� Infrastructures intelligentes (ITS)
5ECoFac-2012
Architecture globale d'un nœud
C. Fortuna. Why is sensor data hard to get?. COIN-ACTIVE Summer School on Advanced Technologies for Knowledge Intensive NetworkedOrganizations in Aachen, 2010
µP RF
6ECoFac-2012
Architecture détaillée d'un nœud
� Faible taille
� Faible coût
� Faible consommation
=> Faible puissance de calcul
Sensor Processing & controlling unit
Communication interface
MemoryNODE
Battery
Plateformes commerciales "fait labo"
� La multitude des circuits et des plateformes ne simplifie pas le choix !
7ECoFac-2012
Standard de communication
Standard de communication :
- Faible consommation, faible débit IEEE 802.15.4 (2.4 GHz, 250Kb/s)
… surcouches Zigbee, 6LoPAN, Miwi …
8ECoFac-2012
Standard de communication
Standard de communication :
- Faible consommation, faible débit IEEE 802.15.4 (2.4 GHz, 250Kb/s)
… surcouches Zigbee, 6LoPAN, Miwi …
Dirigé par l'information (les nœuds)
Sensor Processing & controlling unit
Communication interface
MemoryNODE
Battery
Sensor Processing & controlling unit
Communication interface
MemoryNODE
Battery
Sensor Processing & controlling unit
Communication interface
MemoryNODE
Battery
55
6E
A0
57
9ECoFac-2012
Standard de communication
Standard de communication :
- Faible consommation, faible débit IEEE 802.15.4 (2.4 GHz, 250Kb/s)
… surcouches Zigbee, 6LoPAN, Miwi …
Dirigé par le coordinateur (tête de réseau)
Sensor Processing & controlling unit
Communication interface
MemoryNODE
Battery
Sensor Processing & controlling unit
Communication interface
MemoryNODE
Battery
coordinateur
Talk !Talk !
Période de synchronisation = période superframe
= beacon interval (BI)
BI = a. 2BO
57
A0Sensor Processing &
controlling unitCommunication
interface
MemoryNODE
Battery
synchro synchrocomm. synchrocomm.
10ECoFac-2012
Standard de communication
Standard de communication :
- Faible consommation, faible débit IEEE 802.15.4 (2.4 GHz, 250Kb/s)
… surcouches Zigbee, 6LoPAN, Miwi …
Inspiré des réseaux sans fil utilisés en informatique :
- Forte consommation, fort débit IEEE 802.11 (2.4 GHz, 270Mb/s)
… Wifi
11ECoFac-2012
Précieuse énergie …
Optimisation :
A. Prayati, C. Antonopoulos, Stoyanova, C. Koulamas, and . Papadopoulos, “A modeling approach on the TelosB WSN platform power consumption,” Journal of Systems and Software, vol. 83, no. 8, 2010.
� Rapport cyclique de fonctionnement ?
� Etat de repos du circuit RF ? (idle, RX)
12ECoFac-2012
Multidisciplinarité
Problème de l'interdépendance de ces systèmes: exemple simple 1
(approche temporelle)
définit specs
Durée et rapport cyclique du
fonctionnement
Utilisation du canal
Périodicité et nombre maximal de
communications
Nombre de noeuds
Energie
Nombre de données par paquet
ex: aspect temps réel
choix : protocole choix : topologie
13ECoFac-2012
Multidisciplinarité
Problème de l'interdépendance de ces systèmes: exemple simple 2
(approche spatiale)
définit specs
Périodicité des communications et payload
et ces 2 exemples sont interdépendants …
Débit du circuit RF
433, 868, 2400 MHz
FSK, OOK, QPSK …
limite
x
Energie
Nombre de noeuds
choix : topologie
Fréquence et modulation de
porteuse
choix : protocole
14ECoFac-2012
Multidisciplinarité
Problème de l'interdépendance de ces systèmes: qui fait quoi ?
specs
Fréquence et modulation de
porteuse
Débit du circuit RF
Périodicité des communications
Modèle OSI-WSN
Nombre de noeuds
canal
PHY
MAC
NETWORKRoutage, sauts
Tra
nsve
rsal
: éne
rgie
15ECoFac-2012
Multidisciplinarité
Problème de l'interdépendance : optimisations multicritères
Critère principal : énergie
Giuseppe Anastasi, Marco Conti, Mario Di Francesco, and Andrea Passarella. Energy conservation in wireless sensor networks: A survey. Ad Hoc Networks, 7(3):537--568, may 2009.
16ECoFac-2012
Multidisciplinarité
Thèmes de recherche autour de la conception de capteurs sans fil :
� Propagation radiofréquence
� Capteurs M/N (O)EMS
� Circuits électroniques analogiques et numériques (capteurs, µC, RF)
� Architecture et (faible) consommation de circuits
� Gestion optimale de l'énergie
� Récupération d'énergie (micro-récupérateurs)
� Optimisation logicielle
� Protocole de communication (échanges d'informations, ACK)
� Routage (topologie, statique ou dynamique)
� Application (échange de fonctionnalités, reprogrammation, partitionnement global / local)
(liste non exhaustive … !)
17ECoFac-2012
Multidisciplinarité
Sensor Processing & controlling unit
Communication interface
MemoryNODE
Battery
GDR MNS
(Micro & Nano Systèmes)
GDR Ondes
GDR ASR
(Architecture, Systèmes, Réseaux)
GDR SOC-SIP
(System-On-Chip & System-In-Package)
18ECoFac-2012
Simulation et niveau de modélisation
Niveau d'abstraction : analogie avec la simulation électrique
� Simulation à éléments finis (ex: FDTD) champs E et H sur maillage
� Simulation de transistors (ex: SPICE)niveau 0 : IDS = ½ µ.Cox.W/L(VGS-Vt)² en saturéniveau 53 : des dizaines de paramètres technologiques
� Simulation de portes logiquestrop long avec des équations analytiques => besoin d'aller à l'essentielessentiel = structure =fonction logique, délais
out = not(in), tp = 10nslangages développés avec cette philosophie (ex: VHDL structurel et comportemental)
� Simulation de blocs entiers ou de circuits entiersconsidération du système électronique dans sa globalité (approche système)langages systemC, MATLAB …
Plus on s'éloigne de la physique (bas niveau) et plus on se rapproche de l'application (haut niveau), plus le niveau d'abstraction est élevé.
µP
Memory
19ECoFac-2012
Niveau d'abstraction et compromis : analogie avec la simulation électrique
Simulation de transistors (ex: SPICE)
Simulation de portes logiques
Simulation système
2 constats :- La simulation transistors (ex: niveau 53) est réputée précise, mais beaucoup de
prototypes sont réalisés (analogiques, mixtes ou RF; numériques sur FPGA)
- Une publication est bien mieux évaluée avec des mesures qu'avec des simulationsConfiance en la simulation ??
Simulation et niveau de modélisation
Tai
lle d
es c
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ts
sim
ulés
Pré
cisi
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résu
ltats
(s
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réci
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Vite
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sim
ulat
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20ECoFac-2012
Niveaux d'abstraction dans les réseaux de capteurs
Toujours la même philosophie :
Simulation de circuits
Simulation de nœuds
Simulation de réseaux
Simulation et niveau de modélisation
Gra
nula
rité,
vi
tess
e de
si
mul
atio
n
Pré
cisi
on d
es
résu
ltats
(si m
odèl
es m
oins
pré
cis)
Con
fianc
e
Sensor Processing & controlling unit
Communication interface
MemoryNODE
Battery
21ECoFac-2012
Confiance (et espérance) en la simulation
Aspect mémoire et temps de calcul
Aspect virtuel (non concret) ?
Aspect WYWISWG (What You Write Is What You Get) ?
Résultats invérifiables (circuits et systèmes futurs ou difficilement réalisables)
Simulation et niveau de modélisation
22ECoFac-2012
Difficultés dans la validation des réseaux de capteurs
� Plateforme avec sa propre architecture matérielle, éventuellement recherche d'une architecture optimale (donc non réalisée) …
� Réseau de 1000 nœuds (quelqu'un pour les souder et les programmer ??)
=> SensLab … mais architectures figées et debug limité
… Recours à la simulation
Simulation et niveau de modélisation
23ECoFac-2012
� Simulateurs réseaux (NS-2 & 3, OMNeT++ (/ PAWiS), WSNet …)
� Simulateurs réseaux avec modèles de noeuds (sQualNet, WorldSens, WSNET+WSim …)
Classement (Taxinomie)
Node Node Node
Node Node
24ECoFac-2012
� Simulateurs réseaux (NS-2 & 3, OMNeT++ (/ PAWiS), WSNet …)
� Simulateurs réseaux avec modèles de noeuds (sQualNet, WorldSens, WSNET+WSim …)
Problèmes récurrents : � Précision (liée à la granularité / niveau d'abstraction)� Temps de simulation long malgré le haut niveau !
(problème de moteur de simulation ou ISS à ce haut niveau !)
Classement (Taxinomie)
25ECoFac-2012
� Simulateurs matériels pour un réseau (TOSSIM, PowerTOSSIM, ATEMU …)
� Simulateurs de systèmes de noeuds (SCNSL, WISENES, IDEA1)
Classement (Taxinomie)
Sensor Processing & controlling unit
Communication interface
MemoryNODE
Battery
Sensor Processing & controlling unit
Communication interface
MemoryNODE
Battery
Sensor Processing & controlling unit
Communication interface
MemoryNODE
Battery
Sensor Processing & controlling unit
Communication interface
MemoryNODE
Battery
Sensor Processing & controlling unit
Communication interface
MemoryNODE
Battery
26ECoFac-2012
� Simulateurs matériels pour un réseau (TOSSIM, PowerTOSSIM, ATEMU …)
� Simulateurs de systèmes de noeuds (SCNSL, WISENES, IDEA1)
Problèmes récurrents : � Temps de simulation (moteur ou ISS)� Précision et granularité des résultats (ex: énergie)
Conclusion :
Des fonction essentielles manquent dans chaque simulateur existant.Les systèmes de nœuds écrits en SystemC permettent un niveau de
modélisation adéquat et un temps de simulation prometteur
Classement (Taxinomie)
27ECoFac-2012
Plan
� Introduction aux WSN (Wireless Sensor Networks)
� Aspect multidisciplinaire des WSN: problématiques
� Simulations
� Exemple de simulateur : IDEA1
Simulateur de systèmes de nœuds IDEA1
� Conclusion
28ECoFac-2012
Base de travail
� Simulateur de systèmes de noeuds: SCNSL (SystemC Network Simulation Library [Fum])
- Version utilisée : alpha
- Standard 802.14 en mode non synchronisé CSMA-CA uniquement
- Granularité = nœud (entité globale)
- Résultats : fonctionnel et temps de simulation (pas de latence, depuissance, ou de taux de paquets reçus !)
- Modification de code pour configurer et lancer une simulation
[Fum] F. Fummi, D. Quaglia, F. Stefanni, "A SystemC-based Framework for Modeling and Simulation of NetworkedEmbedded Systems", Forum on Specification and Design Languages 2008.
Network
C++
Node 0CSMA_CA
Node NCSMA_CA
SystemC
SystemC
29ECoFac-2012
Spécifications de la plateforme de simulation IDEA1
� Base de travail SCNSL modifiée à 90% (philosophie réseau C++/nœud SystemC)
� SystemC– Flot de conception microélectronique : simplicité à utiliser et à améliorer par la communauté
– Modélisation HW / SW
– Moteur de simulation efficace (événementiel)
– Homogénéité du langage (SystemC & C++)
� Modèle basé sur les machines à états finis– Simple et intuitif pour modéliser des circuits basés sur des états de fonctionnement (RX,
TX …)
– Structure des modèles simple à modifier et à améliorer
� Granularité fine– Latence et puissance (… énergie) de chaque bloc de chaque circuit
� Validé expérimentalement– Peu d'autres plateformes de simulation le sont, d'où les questions de confiance …
30ECoFac-2012
Spécifications de la plateforme de simulation IDEA1
hIerarchical DEsign plAtform for sensOr Networks Exploration
� Exploration de l'espace de conception
� Sélection des modèles de composants dans la bibliothèque
� Sélection du niveau de modélisation
� Précis et validé (puissance et temps)
� Extensible– Architecture de fichiers réfléchie pour insérer facilement de nouveaux composants
� Interface utilisateur
31ECoFac-2012
Architecture du simulateur IDEA1
� Microcontrôleur et circuit RF modélisés sous forme de machines à états finis
� A chaque état sont associés un temps et une consommation
� Module batterie enregistre les consommations
32ECoFac-2012
Modèle de microcontrôleur en Slotted CSMA-CA : exemple simple
Le circuit RF compose le paquet, gère l'accès au canal …
Le µC ne connaît pas la latence d'envoi (pê non constante)
Le µC gère tout !
33ECoFac-2012
Modèle circuit RF TI CC2420 (transceiver) : exemple simple
34ECoFac-2012
Modèle circuit RF Microchip MRF24J40 (transceiver) : exemple simple
35ECoFac-2012
Résumé des consommations
23 mATX
(0 dBm)
2 µASleep
17 µAPower Down
0.3 µAPower Down
426 µAIDLE
1 mAActive
19 mARX4 µASleep
MicrochipMRF24J40
MicrochipPIC16LF88
17.4 mATX
(0 dBm)
9 mAActive
18.8 mARX
TI CC2420ATMEL ATMega
128
Transceiver RFMicrocontrôleur
Et :
I(TX) pour toutes puissances (dBm)
Détail de µC active (SPI, ADC …)
36ECoFac-2012
Librairie et interface utilisateur de IDEA1
CL9P4L (light)LM35D (temperature)
Sensor
Texas Instrument CC1000 (433 MHz)Texas Instrument CC2420 (2.4 GHz)
Microchip MRF24J40 (2.4 GHz)Nordic nRF24L01 (2.4GHz, 2Mbps)
ATMEL ATMega128Microchip PIC16LF88
MSP430
RF TransceiverMicrocontroller
outputs
inputs
37ECoFac-2012
Sortie graphique
38ECoFac-2012
IDEA1 vs mesures
� Taux de paquets reçus (PDR)
39ECoFac-2012
IDEA1 vs mesures
� Latence
40ECoFac-2012
IDEA1 vs mesures
� Puissance moyenne du nœud
41ECoFac-2012
IDEA1 vs mesures
� Energie par paquet
42ECoFac-2012
IDEA1 vs NS2
� Taux de paquets reçus (PDR)
BI = a. 2BO
43ECoFac-2012
IDEA1 vs NS2
� Latence
44ECoFac-2012
IDEA1 vs NS2
� Puissance moyenne du nœud
45ECoFac-2012
IDEA1 vs NS2
� Energie par paquet
46ECoFac-2012
IDEA1 vs NS2
� Temps de simulation
47ECoFac-2012
IDEA1
� Consommation détaillée (≠ NS2)
– Partitionnement dans le microcontrôleur et circuit RF (sleep / active)
48ECoFac-2012
IDEA1
� Consommation détaillée
– Blocs du microcontrôleur
49ECoFac-2012
IDEA1
� Consommation détaillée
– Energie "utile" (ADC, comm.) et énergie utilisée pour la synchro. (Beacon Tracking)
50ECoFac-2012
IDEA1
� Consommation détaillée
– Comparaison de 2 plateformes (IEEE802.15.4)
� micaZ: ATMEL ATMega 128 + TI CC2420
� N@L: Microchip PIC16LF88 + Microchip MRF 24J40
micaz N@L
51ECoFac-2012
IDEA1
� Hétérogénéité
MCU
A
RF unit
E
Memory CNODE A
Battery
Sensor
MCU
B
RF unit
F
Memory DNODE B
Battery
Sensor PIC16LF88+MRF24J40 AVR ATMega128+CC24200
200
400
600
800
1000
1200
RFMCU
PIC16LF88 AVR ATMega1280
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
SleepActiveSPI
MRF24J40 CC24200
200
400
600
800
1000
1200
1400
SleepIdleRXTX
RF MCU
52ECoFac-2012
IDEA1: fonctionnalités récentes
� Prise en charge du logiciel
53ECoFac-2012
IDEA1: fonctionnalités futures … multidisciplinaire = collaboratif
ANR MN PROMISE – FEMTO-ST, INL, LEAT, Thalès, XLIM
� Possibilité de choisir indépendamment le niveau d'abstraction désiré de chaque élément
� Modèles physiques, protocoles, routage plus complets
� Affichage de la confiance de la simulation (%) par rapport aux validations expérimentales
54ECoFac-2012
Conclusion
� Conception de WSN : aspect multidisciplinaire qui nous dépasse !
� Simulation nécessaire pour la phase amont de la conception de WSN
� Problème de la perception des résultats de simulation
� Modélisation systemC / FSM intéressante
– Temps de simulation
– Simplicité de modélisation
– Pertinence des résultats
– Réflexions plus hautes : prédominance des effets réseaux sur les latences, réductions d'énergie relatives (%)
� Simulateur et approche déclinables pour bien d'autres thèmes :
– Réseaux sur puce (NOC, ONOC), architectures reconfigurables (techno classique / émergente), architectures communicantes (RFID) …