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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
Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface
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
Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface
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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
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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.
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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
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Réseaux de capteurs sans fils : surveiller une forêt
Station de base
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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
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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
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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
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Comment désigner les capteurs actifs et passifs ?
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…………………
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Comment désigner les capteurs actifs et passifs ?
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 ?
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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
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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
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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
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Objectif
Solutions localisées pour le maintien de la couverture de surface… …par des ensembles connectés
Passif
Passif
Passif
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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
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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
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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
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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
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[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
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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
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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 ?
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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
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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
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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
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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 ?
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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
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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
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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
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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
Période d’activité(observation, collecte de données)
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
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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
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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
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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
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Réduction du nombre de nœuds actifs (Rc = Rs)
Connaissance complète du voisinage
Connaissance incomplète du voisinage
Densité du réseau
Nœ
uds
actif
s (%
)
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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
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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 ?
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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
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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
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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 ?
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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
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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
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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
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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 ?
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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
Période d’activité(observation, collecte de données)
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
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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
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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
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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
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Plan
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La couverture simple Hypothèses principales et revue de la littérature Contributions
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Conclusion et perspectives
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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
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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
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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),
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Plan
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Conclusion et perspectives
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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 (%
)
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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
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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 (%
)
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Plan
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La couverture simple Hypothèses principales et revue de la littérature Contributions
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Conclusion et perspectives
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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
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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
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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
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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
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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
Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface
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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
Antoine Gallais – Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs : l’exemple de la couverture de surface
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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