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Participants :

  • Equipe TRIO : YQ Song, (Prof, Responsable de l’opération), A. Guénard (Ingénieur), S. Nourizadeh (doctorant), B. Netzi (doctorant).
  • Equipe MADYNES : L. Ciarletta (MdC), A. Lahmadi (MdC), O. Festor (DR)

L’intégration et l’interfonctionnement de l’ensemble de matériels et logiciels hétérogènes de la plate-forme, ainsi que l’interaction avec les différentes applications, reposent sur des solutions de l’interopérabilité. Cette interopérabilité doit d’abord être assurée par le système de communication qui est lui-même constitué des réseaux hétérogènes par nécessité et besoins applicatifs (en termes de besoins de débits, de mobilité, ou de disponibilité technologique). Ce point est donc une étape clé pour la réussite du projet.

Trois axes de recherche (sous-tâches) vont être développés : mécanismes (protocoles et middleware) de supervision et gestion de la qualité de service dynamique et auto-adaptative pour le système de communication avec mobilité et en particulier le réseau de capteurs et actionneurs (robots) ; sécurité de communication de données. Des travaux menés dans l’équipe TRIO autour des réseaux de capteurs sans fil [1-7], et des travaux de l’équipe MADYNES sur la supervision, mobilité et sécurité des réseaux [8-15] constituent le point de départ de cette activité.

Les défis à relever sont les suivants :

Qualité de Service : la nature des flux transportés est diverse. On y retrouve de la vidéo, des alertes, des paramètres environnementaux, de santé et comportementaux, ainsi que des données liées au contrôle, etc. Cette variété de flux temps réel, nécessite une politique de qualité de service gouvernant le transport de ces différents flux selon leur priorité. Cette politique est importante pour des applications médicales à domicile, où une partie de l’infrastructure de communication pourrait dysfonctionner.

La tolérance aux pannes : La tolérance aux pannes est la capacité d’assurer la continuité de fonctionnement du réseau sans interruption due à une erreur intervenue sur un ou plusieurs capteurs ou une partie des liens de transmission. En effet, certains capteurs peuvent générer des erreurs ou ne plus fonctionner à cause d’un manque d’énergie ou d’un problème physique ou d’une interférence. La transmission radio peut être momentanément perturbée par des champs électriques, etc. Ces problèmes ne devraient pas affecter le reste du réseau.

Maintenance de la topologie du réseau : Le déploiement d’un grand nombre de nœuds nécessite une maintenance de la topologie. Cette maintenance consiste en trois phases : i) déploiement, ii) post-déploiement, iii) redéploiement de nœuds additionnels. Ainsi les protocoles de communication régissant le fonctionnement du réseau doivent prévoir la gestion de telles topologies dynamiques.

Sécurité et intégrité des données : La transmission sans fil par voie hertzienne est vulnérable à des attaques qui atteignent l’intégrité des informations captées ce qui entrave les conclusions auxquelles aboutissent les stations de base. Des mécanismes de protection des données transmises doivent être utilisés de manière efficace dans la conception des protocoles de communication, sachant que les opérations cryptographiques sont très coûteuses en termes de consommation d’énergie.

Etat de l’art

Les recherches dans le domaine des réseaux de capteurs sans fil (wireless sensor network : WSN) commencent à apporter des solutions très prometteuses pour non seulement des applications militaires et de surveillance mais aussi des applications de notre vie quotidienne (domotique, santé, …) [16], [17], [23].

L’utilisation réelle de la technologie WSN dans notre projet nécessite néanmoins encore de la recherche sur l’aspect QdS et l’interopérabilité et notamment lié à des applications qui nécessitent de la communication et interaction en temps réel avec l’environnement.

Dans les réseaux de capteurs, chaque couche doit supporter la qualité de service pour les communications temps réel. Un premier problème important est que, dans ce contexte, à l’heure actuelle, il y a peu de protocoles (couches MAC et réseau) qui fournissent de la garantie de la QdS car les efforts majeurs ont été portés sur le développement des solutions de communication à basse consommation d’énergie [18], [19], [20].

Parmi les solutions qui ont été proposées afin de supporter la qualité de service et les exigences temps réel, on peut citer le protocole de routage SPEED [21] et l’architecture RAP [21] proposée à l’Université de Virginie. Le protocole SPEED fournit une technique de routage, spécifique aux réseaux de capteurs, dont l’objectif est de réduire le pourcentage de trafic de bout en bout qui rate son échéance. RAP est une architecture de communication temps réel pour un réseau de capteurs largement déployé ; il repose sur un ordonnancement de paquets appelé « velocity monotonic » (qui est défini comme le rapport entre la distance géographique du paquet vers sa destination et son échéance) pour rendre prioritaire le trafic temps réel et mettre en œuvre cette priorité dans une couche MAC à différentiation de trafic. Néanmoins ces protocoles s’appuient sur la connaissance de la position géographique des nœuds, ce qui peut ne pas être le cas dans un réseau de capteurs et actionneurs selon [22]. La conception de protocoles de routage et de niveau MAC pour des applications temps réel, tout en minimisant la consommation d’énergie reste un problème encore ouvert. Les efforts récemment menés à l’IETF, notamment la proposition de standard 6loWPAN (http://www.ietf.org/dyn/wg/charter/...) fournit une piste aussi intéressante pour faciliter l’interopérabilité de communication puisque les nœuds sont adressés avec IPv6, et toutes les applications développées suivant le principe de la technologie de l’Internet (basé sur IP) peuvent fonctionner avec minimum d’adaptation.

Les approches suivantes seront exploitées dans cette opération :

T1.1. Spécifications de protocole de routage garantissant la Qualité de Service (QdS) Comme le routage constitue une pièce charnière dans la fourniture de la QdS, afin de délimiter nos champs d’investigation et être pragmatique, nous proposons de travailler sur un protocole MAC existant (IEEE802.15.4 par exemple) et nous nous proposons de nous intéresser au développement du routage à QdS efficace et au middleware permettant (i) de transmettre en-ligne la demande de QdS vers le protocole de routage et (ii) de remonter vers l’application le taux de satisfaction de la QdS afin que l’application puisse aussi s’adapter à la situation de son côté et ceci bien sûr dans la mesure du possible. En fait, compte tenu de la transmission non fiable en RF, la garantie absolue n’existe pas, et dans le cas de non-satisfaction de contraintes, il devient nécessaire d’avertir l’application afin de laisser cette dernière s’adapter ou prendre une décision adéquate.

L’hypothèse de nous appuyer sur des couches physiques et MAC de IEEE802.15.4 nous permet d’avoir d’une part des nœuds disponibles et d’autres part les informations physiques telles que (ED, RSSI, LQI) pour l’adaptation et l’optimisation du routage.

La QdS que nous allons définir s’intéresse à l’application (délai de bout en bout d’une transaction, indication de la cohérence temporelle des données corrélées qui est nécessaire pour la fusion de données multimodales). Le mode de remontée des événements sera aussi étudié notamment en ce qui concerne le choix entre la scrutation périodique et le déclenchement événementiel ou une combinaison de transfert périodique et apériodique. Le problème d’ordonnancement des paquets sera aussi étudié pour fournir la garantie du temps de transfert de données (classification de trafic pour la différenciation de service).

T1.2 : Supervision pour la maintenance et de tolérance aux fautes En général, un réseau de capteurs est déployé de façon dense. Avec un protocole de routage dynamique, nous pouvons atteindre un certain niveau de tolérance aux fautes de nœuds de capteurs et à l’imperfection des liens RF en choisissant toujours un chemin disponible. Dans ce projet nous allons développer une méthode d’évaluation du degré de tolérance en fonction de la densité du déploiement. L’agrégation de données au moment du routage sera étudiée avec une attention particulière afin d’assurer la fiabilité désirée de remise de données. La supervision doit aussi participer à la maintenance de la topologie du réseau, c’est-à-dire avoir une vision de la topologie du réseau de capteurs, déterminer les nœuds actifs ou non. Dans ce cas, nous proposerons un schéma de monitoring pour construire la topologie du réseau (domaine d’administration du réseau). L’ensemble se repose sur 6loWPAN afin d’assurer l’interopérabilité de communication.

T1.3 : Garanti de la sécurité des données Dans ce projet, nous nous intéresserons à la sécurité des données à collecter. Le cryptage AES 128 bits défini par Zigbee/IEEE802.15.4 ne sera pas systématiquement utilisé car très demandeur de bande-passante. Nous visons à proposer une solution légère et adaptative au contexte (environnement, type de capteurs, type/importance de données) pour optimiser la consommation d’énergie.

En plus nous proposons d’intégrer certaines données nécessaires à la supervision de l’état de santé du réseau (état des nœuds de capteurs, remontée des évènements de diagnostic) dans le protocole de routage pour économiser au mieux la bande passante et la consommation d’énergie. L’idée initiale est d’essayer d’embarquer dans les paquets de routage (piggybacking) les données de supervision / les valeurs de capteurs pour maintenir un niveau assuré de supervision.

Bibliographie :

[1] Boughanmi N., Song Y.-Q., « A New Routing Metric for Satisfying Both Energy and Delay Constraints in Wireless Sensor Networks », The Journal of Signal Processing Systems for Signal, Image, and Video Technology, Springer, Volume 51, Number 2, pp. 137-143, may 2008.

[2] Shue Chen C., Shing Wong W., Song Y.-Q., “The design and analysis of protocol sequences for robust wireless accessing”, 50th Annual IEEE GLOBECOM 2007, Washington (USA), Nov. 2007.

[3] Shue Chen C., Shing Wong W., Song Y.-Q., « Constructions and Analysis of Robust Protocol Sequences for Wireless Sensor and Ad-hoc Networks », IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 57, no. 5, pp. 3053-3063, Sept. 2008.

[4] Chen C. S., Li Y., Song Y.-Q., « An Exploration of Geographic Routing with k-Hop Based Searching in Wireless Sensor Networks », (2008) 376-381, Third International Conference on Communications and Networking in China - ChinaCom 2008 Hangzhou Chine.

[5] Li Y., Song Y.-Q., Schott R., Wang Z., Sun Y., « Impact of Link Unreliability and Asymmetry on the Quality of Connectivity in Large-scale Sensor Networks », SENSORS, (2008), Sensors 8 10 pp6674-6691.

[6] Li Y., Chen C. S., Song Y.-Q., Wang Z., Sun Y., « A two-hop based real-time routing protocol for wireless sensor networks », (2008) 7th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems - WFCS’08 Dresden (Germany), May 2008.

[7] Nefzi B., Song Y.-Q., “Performance Analysis and improvement of ZigBee routing protocol”, 7th IFAC International Conference on Fieldbuses & Networks in Industrial & Embedded Systems - FeT’2007, Toulouse (France), Nov. 2007.

[8] R. Badonnel, R. State, O. Festor, Management of Mobile Ad-hoc Networks : Evaluating the Network Behaviour, Proc. IFIP/IEEE IM’2005, pp 3-16, IEEE Press.

[9] M.S. Bouassida, I. Chrisment et O..Festor. An Enhanced Hybrid Key Management Protocol for Secure Multicast in Ad-hoc Networks. Third IFIP-TC6 Networking Conference (Networking’2004), Athens (Greee), may 2004.

[10] Mohamed Salah Bouassida, Isabelle Chrisment, Olivier Festor : Efficient Clustering for Multicast Key Distribution in MANETs. Proc. Fourth IFIP TC6 Networking Conferene (Networking’2005) , Waterloo Canada, 2005

[11] Ciarletta L. : Emulating the Future with/of Pervasive Computing Research and Development, in Proceedings of What make for good application-led research, workshop of Pervasive 2005

[12] Ciarletta L., Pouyllau H., Aghasaryan A., Haar S. : X-domain QoS budget negotiation using Dynamic Programming, in Proceedings of Advanced International Conference on Telecommunications and International Conference on Internet and Web Applications and Services - AICT 2006 / ICIW 2006 (2006)

[13] Ciarletta L., Piekarec S., Aghasaryan A., Pouyllau H., Haar S., Fabre E., Mbarek N. : Multi-Domain Self Aware Management : Negotiation and Monitoring, in Proceedings of 13th International Conference on Telecommunications - ICT 2006 (2006)

[14] Siebert J., Chevrier V., Ciarletta L. : Entwined influences of users’behaviour and QoS : a multi-model approach., in Proceedings of the Second International Conference on Autonomous Infrastructure, Management and Security - AIMS 2008 (2008)

[15] Leclerc T., Ciarletta L., Andronache A., Rothkugel S. : OLSR and WCPD as Basis for Service Discovery in MANETs, in Proceedings of The Second International Conference on Mobile Ubiquitous Computing, Systems, Services and Technologies - UBICOMM’08 (2008)

[16] I.F. Akyildiz et al., “Wireless Sensor Networks : A Survey” Journal of Computer Networks, 38 (2002), 393-422.

[17] C. Azevedo and R. Héliot, “Rehabilitation of functional posture and walking:coordination of healthy and impaired limbs,” Journal of Automatic Control, vol. 15(Supplement), pp. 12–14, 2005.

[18] Li Y., Chen C. S., Song Y.-Q., Wang Z., “Real-time QoS support in wireless sensor networks : a survey”, 7th IFAC International Conference on Fieldbuses & Networks in Industrial & Embedded Systems - FeT’2007, France (2007)

[19] J. A. Stankovic et al., “Real-Time Communication and Coordination in Embedded Sensor Networks”, Proceedings of IEEE, July 2003

[20] D. Chen and P.K. Varshney, “QoS support in wireless sensor networks : a survey”, Proc. of ICWN2004, Nevada (USA), June 21-24, 2004.

[21] T. He et al., “SPEED : A Stateless Protocol for Real-Time Communication in Sensor Networks”, International Conference on Distributed Computing Systems ICDCS 2003, pp. 46-55.

[22] C. Lu, B. M. Blum, T. F. Abdelzaher, J. A. Stankovic, and T. He, “RAP : A Real-Time Communication Architecture for Large-Scale Wireless Sensor Networks”, In IEEE RTAS 2002, September 2002.

[23] D. Malan, T. Fulford-Jones, M. Welsh, and S. Moulton, “CodeBlue : An Ad Hoc Sensor Network Infrastructure for Emergency Medical Care”, International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks, April 2004

Cette opération utilise les moyens demandés dans l’activité de mise en oeuvre de la plate-forme commune.

 
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