Nous venons d’établir la formule de la probabilité de collision pour les algorithmes de contention et les lois de distribution utilisées dans la littérature. Nous étudions maintenant la consommation d’énergie d’un nœud participant à une fenêtre de contention. Pour cela, nous étudions dans un premier temps le dimensionnement des intervalles de la fenêtre de contention et montrons qu’il dépend des propriétés du circuit radio et de la fréquence de resynchronisation des nœuds. Nous simulons ensuite les différents mécanismes et traçons les résultats obtenus pour un scénario réaliste. Les notations propres à cette étude sont listées dans le tableau 5.2.
5.5.1 Dimensionnement des intervalles de la fenêtre de contention
Lors d’un intervalle de la fenêtre de contention, un nœud doit être en mesure d’effectuer l’une ou l’autre des actions T ou D précédemment définies. Le temps nécessaire pour
Notation signification
dmax dérive maximale en fréquence de l’horloge d’un nœud Tresyn période de resynchronisation des horloges des nœuds
Dmax décalage maximum entre deux horloges de nœuds dans un voisinage radio
Tint durée d’un intervalle de la fenêtre de contention TR temps de retournement de la radio TD temps minimum nécessaire pour effectuer
une détection de signal de transmission TT temps minimum nécessaire pour émettre
le signal de transmission Tact durée de l’intervalle réservée à la
réalisation des actions T ou D δr durée du recouvrement des intervalles pour
deux nœuds dont les horloges sont décalées de Dmax
Tint durée d’un intervalle de la fenêtre de contention. N nombre de compétiteurs attendus maximum. Ptx puissance dissipée en émission. Prx puissance dissipée en réception. Ereveil énergie dissipée pour allumer le circuit radio. Erx!tx énergie dissipée pour la transition réception - émission
du circuit radio.
Etx!rx énergie dissipée pour la transition émission - réception émission du circuit radio.
Tint durée d’un intervalle de temps
Table 5.2 – Notations pour l’estimation de la consommation d’énergie
réaliser une détection est noté TD et le temps nécessaire pour réaliser l’émission d’un signal d’occupation TT. Comme illustré par la Figure 5.2, un nœud peut réaliser successivement deux actions de nature différentes, e.g. T suivi de D et inversement. Cette succession d’actions nécessite un changement d’état du circuit radio : le circuit radio doit être en état de transmettre pour l’action T et en état de réception ou de détection d’énergie pour l’action D. Ce changement d’état prend du temps pour être effectif et cette durée est appelée temps de retournement de la radio, noté TR par la suite.
Cela signifie que la durée d’un intervalle, notée Tintdoit être à minima égale à la somme du temps de retournement de la radio TRet au maximum entre les temps nécessaires pour effectuer T et D, soit TT et TD respectivement. Le Tableau 5.3 recense ces grandeurs pour deux circuits couramment utilisés : le CC1100 [7] et CC2420 [112] de Texas Instruments. On note que TT n’est pas rapporté, sa contrainte étant d’être supérieure à TD.
Contrainte matérielle circuit radio grandeur Durée de transition du circuit radio TR CC1100 ⇡ 30 µs
CC2420 ⇡ 10 µs Durée minimale de détection de transmission TD CC1100 450 µs
CC2420 128 µs Table5.3 – Contraintes matérielles : Extraits de spécifications
Entre deux resynchronisations successives, les horloges des nœuds d’un voisinage radio se désynchronisent. Cette désynchronisation implique que deux actions programmées à une même date sur deux nœuds capteurs seront réalisées à des instants différents. Ce décalage en temps peut compromettre le fonctionnement du mécanisme de contention, en particulier s’il excède la durée d’un intervalle Tint. Lorsqu’un mécanisme de synchronisation est utilisé, e.g. celui proposé dans le Chapitre 4, ce décalage est borné par une durée Dmax
qui dépend de la dérive du cristal de quartz utilisé et de la période de resynchronisation : Dmax = 2dmaxTresyn. Afin de garantir le fonctionnement des mécanismes de contention étudiés, il est nécessaire et suffisant de garantir pour tout couple de nœuds voisins tel que l’un effectue une émission de signal de transmission et l’autre effectue une détection, que l’intersection des supports temporels des actions, δr soit supérieur ou égal à TD. Cette propriété est illustrée par la Figure 5.12.
Figure5.12 – Contrainte de synchronisation
On doit ainsi dimensionner Tact, la durée pendant laquelle un nœud doit réaliser l’ac-tion souhaitée selon la formule :
Tact≥ 4dmaxTresyn+ TD
On obtient finalement le dimensionnement de la durée d’un intervalle Tint : Tint= TR+ Taction
À partir de ce dimensionnement, nous représentons en Figure 5.13a les résultats obtenus pour le scénario suivant : 5 nœuds participent à une fenêtre de contention dont les intervalles font 80ms. Cette durée correspond à une resynchronisation des nœuds capteurs toutes les 1000s et à une dérive maximale du crystal de quartz de 20ppm maximum. Ces valeurs, ainsi que la consommation des différentes actions de la radio, sont recensées dans le Tableau 5.13b.
On constate en premier lieu que l’énergie dépensée par un nœud dans une fenêtre de contention est du même ordre de grandeur voire plus importante que l’énergie dissipée par la transmission des données. Dans cet exemple (resynchronisation de période 1000s), l’énergie moyenne dissipée est de l’ordre de la dizaine de millijoules pour un mécanisme ADB et compris entre une dizaine de millijoules et 1 joule pour les mécanismes ATS et ALT. À titre de comparaison, la transmission d’1kbits de données consomme environ 3mJ. Cette observation nous incite à minimiser le coût énergétique du mécanisme de contention pour une exigence de taux de livraison donnée. Ce travail est réalisé dans le Chapitre 6.
(a) Énergie moyenne dépensée par compétition Paramètre valeur N 5 Ptx 62.5 mW Prx 53.7 mW Ereveil 0.16 mJ Erx!tx 53.7 µJ Etx!rx 53.7 µJ Tint 80 ms (b) Paramètres
Figure 5.13 – Modele de consommation
Par ailleurs, on note qu’il serait intéressant de diminuer le coût énergétique par trans-mission dédié à la contention. Pour cela, il existe deux leviers : (i) optimiser les algorithmes existants et (ii) factoriser le coût de la contention entre plusieurs transmissions. Dans le calcul de la probabilité de collision, nous avons montré que la probabilité de collision était fonction du nombre de compétiteurs : n, du nombre de séquences à priori distinctes : |S|, et de la mesure de probabilité P. Pour une taille de fenêtre de contention de taille K, nous avons montré que la cardinalité de S (|S|) était bornée par 2K et que cette valeur était atteinte par les algorithmes ADB. Par ailleurs, les résultats sur la consommation d’énergie et sur la probabilité de collision des mécanismes ADB montrent que l’optimisation de la mesure de probabilité P n’entraîne in fine pas une grande différence sur la consommation d’énergie. De fait, le levier (i) nous semble peu propice à une diminution significative, par rapport à l’état de l’art, du coût énergétique de la contention. Le levier (ii), en revanche, nous semble être une piste intéressante et nous la développons dans le Chapitre 7.
5.6 Synthèse
Dans ce Chapitre, nous modélisons les algorithmes et mécanismes de contention per-mettant l’arbitrage de l’accès pour un protocole MAC synchrone. Nous montrons que les algorithmes de la littérature et leurs performances peuvent être modélisés par un espace probabilisé (Ω, S, P) et nous déduisons de cette modélisation les formules de la probabilité de collision pour les lois de distribution classiquement utilisées. Nous estimons ensuite la consommation énergétique des mécanismes de contention et montrons que les mécanismes à décompte binaire sont de bons candidats pour discriminer un unique émetteur (faible coût énergétique). En raison de l’importance de l’énergie dépensée par les nœuds en conten-tion, ces travaux nous incitent à étudier en détail le coût énergétique du mécanisme de contention pour un taux de livraison souhaité (Chapitre 6) et à étudier les possibilités de factorisation du mécanisme de contention entre plusieurs transmissions (Chapitre 7).
6
Choix et dimensionnementde l’architecture et du
pro-tocole MAC d’un réseau de
capteurs sous exigences de
Qualité de Service
6.1 Introduction
Dans ce chapitre, nous étudions le dimensionnement du protocole d’accès au médium pour des applications de réseaux de capteurs sans-fil urbains. Le tableau 6.1 rappelle les principales caractéristiques des applications cibles, dont la description est donnée dans le chapitre 1.
Application trafic période (moy.) volume journalier qualité de service Télé-relève nœud vers passerelle 15 min à 1 j 1Ko/nœud perte max. 1%
gaz, eau passerelle vers nœudspériodique 10-10 000 nœuds/passerelle délai max. 15mins à 1 j 1 an négligeable perte max. 1%
sporadique délai max. 1h
Éclairage nœud vers armoire 10 à 15 min 10 Ko/nœud perte max. 1% public nœud vers armoirepériodique 100 nœuds/passerelle délai max. 10 à 15 min
4 ans négligeable perte max. 0, 1% apériodique délai max. 10 à 15 min Parc nœud vers passerelle 5 min à 6 h 100o-10Ko/nœud perte max. 0.1% stationnement sporadique 10-100 nœuds/passerelle délai max. 10s, ordre
passerelle vers nœuds
1 an négligeable perte max. 1%
périodique 1j
Surveillance nœud vers passerelle 1min à 1h 2Ko-30Ko/nœud perte max. 1% à 10% pollution passerelle vers nœudspériodique 10-1000 nœuds/passerelle délai max. 1min à 1h
1 an négligeable perte max. 1%
périodique délai max. 30s
Gestion nœud vers passerelle 1 semaine 10o/nœud perte max. 0.1% des déchets sur demande 10-100 nœuds/passerelle délai max. 1h
Table6.1 – Applications des réseaux de capteurs urbains : principales caractéristiques Afin de supporter ces applications, deux architectures de réseau sont envisagées : une architecture à topologie en étoile utilisant des radios bas-débit (100bits/s à 4800bits/s), longue portée (portée > 1 km en milieu urbain) et une architecture à topologie multi-saut employant des radios moyenne portée (portée de quelques dizaines à centaines de mètres) et moyen débit (19,2Kbits/s).
L’étude que nous présentons ici a un double objectif : (i) déduire les protocoles et le dimensionnement adéquat à chaque architecture en fonction des caractéristiques de dé-ploiement et des exigences de Qualité de Service, (ii) émettre des recommandations quant au type d’architecture à privilégier en fonction du déploiement à prévoir et des exigences en matière de taux de livraison et de délai pour les applications cibles.
Pour cela, nous modélisons dans un premier temps un réseau multi-saut utilisant un protocole d’accès synchrone, conformément aux conclusions du chapitre 4. Nous déduisons de ce modèle le dimensionnement du cycle d’activité radio des nœuds capteurs et dérivons
le coût énergétique nécessaire à l’établissement d’une transmission respectant un taux de livraison donné.
Nous modélisons ensuite une architecture réseau radio longue portée, et étudions le coût énergétique des différents protocoles de contrôle d’accès envisageables pour ce type d’architecture. Nous en dérivons des recommandations quant aux protocoles à implémenter sur ce type d’architecture en fonction du trafic à supporter.
Enfin, nous proposons une comparaison des coûts énergétiques associés aux deux types d’architecture pour différents type de déploiements, de volume de trafic et d’exigences de Qualité de Service. Nous concluons par des recommandations sur le type d’architecture à retenir en fonction du trafic à supporter et d’exigences de Qualité de Service.