54
1 ECoFac-2012 Simulation de r Simulation de r é é seaux de seaux de capteurs sans fil capteurs sans fil D. Navarro D. Navarro , F. , F. Mieyeville Mieyeville Institut Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL) des Nanotechnologies de Lyon (INL)

Simulation de réseaux de capteurs sans fil

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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)

Page 2: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

2ECoFac-2012

Plan

� Introduction aux WSN (Wireless Sensor Networks)

� Aspect multidisciplinaire des WSN: problématiques

� Simulations

� Exemple de simulateur : IDEA1

� Conclusion

Page 3: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 4: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

4ECoFac-2012

WSN - Introduction

Applications :

� Enregistrement de données (ex: environnement)

� Surveillance et suivi (ex: personnes, biens)

� Infrastructures intelligentes (ITS)

Page 5: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 6: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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 !

Page 7: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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 …

Page 8: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 9: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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.

Page 10: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 11: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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)

Page 12: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 13: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 14: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 15: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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.

Page 16: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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 … !)

Page 17: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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)

Page 18: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 19: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

ircui

ts

sim

ulés

Pré

cisi

on d

es

résu

ltats

(s

i mod

èles

moi

ns p

réci

s)

Vite

sse

de

sim

ulat

ion

Page 20: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 21: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 22: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 23: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 24: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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)

Page 25: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 26: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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)

Page 27: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 28: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 29: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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 …

Page 30: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 31: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 32: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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 !

Page 33: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

33ECoFac-2012

Modèle circuit RF TI CC2420 (transceiver) : exemple simple

Page 34: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

34ECoFac-2012

Modèle circuit RF Microchip MRF24J40 (transceiver) : exemple simple

Page 35: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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 …)

Page 36: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 37: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

37ECoFac-2012

Sortie graphique

Page 38: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

38ECoFac-2012

IDEA1 vs mesures

� Taux de paquets reçus (PDR)

Page 39: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

39ECoFac-2012

IDEA1 vs mesures

� Latence

Page 40: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

40ECoFac-2012

IDEA1 vs mesures

� Puissance moyenne du nœud

Page 41: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

41ECoFac-2012

IDEA1 vs mesures

� Energie par paquet

Page 42: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

42ECoFac-2012

IDEA1 vs NS2

� Taux de paquets reçus (PDR)

BI = a. 2BO

Page 43: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

43ECoFac-2012

IDEA1 vs NS2

� Latence

Page 44: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

44ECoFac-2012

IDEA1 vs NS2

� Puissance moyenne du nœud

Page 45: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

45ECoFac-2012

IDEA1 vs NS2

� Energie par paquet

Page 46: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

46ECoFac-2012

IDEA1 vs NS2

� Temps de simulation

Page 47: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

47ECoFac-2012

IDEA1

� Consommation détaillée (≠ NS2)

– Partitionnement dans le microcontrôleur et circuit RF (sleep / active)

Page 48: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

48ECoFac-2012

IDEA1

� Consommation détaillée

– Blocs du microcontrôleur

Page 49: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

49ECoFac-2012

IDEA1

� Consommation détaillée

– Energie "utile" (ADC, comm.) et énergie utilisée pour la synchro. (Beacon Tracking)

Page 50: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 51: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 52: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

52ECoFac-2012

IDEA1: fonctionnalités récentes

� Prise en charge du logiciel

Page 53: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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

Page 54: Simulation de réseaux de capteurs sans fil

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) …