Modeling and simulation of wireless sensor networks Wan Du To cite this version: Wan Du. Modeling and simulation of wireless sensor networks. Other. Ecole Centrale de Lyon, 2011. English. NNT : 2011ECDL0026. tel-00690466 HAL Id: tel-00690466 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00690466 Submitted on 23 Apr 2012 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. ECOLE´ CENTRALE DE LYON ECOLE´ DOCTORALE Electronique, Electrotechnique, Automatique Institut des Nanotechnologies de Lyon Ann´ee : 2011 Th`ese Num´ero : 2011-26 Th`ese pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’ECOLE´ CENTRALE DE LYON Discipline : Electronique pr´esent´ee et soutenue par Wan DU le mercredi 14 septembre 2011 Mod´elisation et Simulation de R´eseaux de Capteurs sans Fil Th`ese dirig´ee par Ian O’CONNOR JURY : Lionel TORRES Professeur, Universit´eMontpellier 2 Pr´esident Herv´eGUYENNET Professeur, Universit´ede Franche-Comt´e Rapporteur C´ecile BELLEUDY Maˆıtre de Conf´erences, Universit´ede Nice-Sophia Antipolis Rapporteur Fabien MIEYEVILLE Maˆıtre de Conf´erences, Ecole´ Centrale de Lyon Examinateur David NAVARRO Maˆıtre de Conf´erences, Ecole´ Centrale de Lyon Examinateur Ian O’CONNOR Professeur, Ecole´ Centrale de Lyon Examinateur To my parents and my sister Acknowledgements I would like to express my sincere appreciation to Prof. Ian O’connor, Dr. David Navarroc and Dr. Fabien Mieyeville for their supervision, guidance and support throughout my Ph.D. I am grateful to them for having shared so much of time and insight in our weekly discussions. I have learned a lot from them. I would also like to thank the China Scholarship Council (CSC) for the financial support of my Ph.D studies. I am also thankful for the research facilities and support provided by the Lyon Institute of Nanotechnology and Ecole Centrale de Lyon. I am also grateful to the heterogeneous systems design group for providing travel support in order for me to publish and present my research in many international conferences. I wish to thank my colleagues of the heterogeneous systems design group, including Junchen Liu who guided me for the work and life at Lyon when I first arrived in France, Felipe Frantz, Vijayaragavan Viswanathan, Mihai Galos, Kotb Jabeur, Lioua Labrak, Nataliya Yakymets, Zhenfu Feng and Nanhao Zhu who are always willing to share their knowledge with me and have made it such an interesting place to work over the past three years. I would also like to thank the two excellent engineers, Laurent Carrel and Rapha¨el Lopez, for their technical supports of my research. Moreover, I won’t forget the help from the secretaries, Ms. Patricia Dufaut and Ms. Nicole Durand, for their kindness, availability and good humor that ease my thesis life. Finally, I wish to thank my family and friends. Without their love and support, I can never complete this thesis. R´esum´een fran¸cais (Abstract in French) Les ´evolutions des technologies du microsyst`eme ´electrom´ecanique (MEMS) et de l’int´egration `a tr`es grande ´echelle (VLSI) ont facilit´e le d´eveloppement de capteurs intelligents et de microprocesseurs et transceivers radiofr´equence `a faible puissance, permettant l’essor des r´eseaux de capteurs sans fil (WSN: Wireless Sensor Networks) ces derni`eres ann´ees. Un nœud de r´eseau de capteurs est g´en´eralement ´equip´ed’un ou plusieurs capteurs, une unit´ede calcul, une m´emoire, une alimentation et d’une fr´equence radio (RF) transceiver. Divers ph´enom`enes peuvent ˆetre mesur´es, tels que les sons, vibrations, humidit´e, pression ou temp´erature. Les WSN ont ´et´e utilis´es dans une large vari´et´e d’applications. Selon leurs fonctionnalit´es, les applications peuvent ˆetre essentiellement class´ees en deux cat´egories: les applications de surveillance et les applications de suivi. Diverses applications ont des exigences diff´erentes; par exemple, une application industrielle en temps r´eel n´ecessite une latence faible de livraison de paquets, mais une autonomie d’une semaine est souvent suffisante. En revanche, un syst`eme de surveillance de l’environnement `adistance devra avoir une dur´ee de vie de plusieurs ann´ees avec un rapport cyclique faible. En raison de la petite taille et des exigences de faible coˆut des nœuds, les ressources de nœuds de capteurs telles que la capacit´ede traitement, le stockage et l’´energie, sont limit´es. Pour mettre en œuvre de nouvelles applications, les techniques de r´eseau devraient ˆetre ´etudi´ees afin de transmettre les donn´ees d’un nœud `aun hˆote qui peut ˆetre consult´e par les utilisateurs. Les protocoles de communication des r´eseaux de capteurs peuvent ˆetre repr´esent´es en diff´erentes couches, comme la couche d’application, de transport, de r´eseau, de liaison de donn´ees et de physique. Chaque couche a plusieurs tˆaches sp´ecifiques et fournit des services `asa couche sup´erieure. Trois caract´eristiques particuli`eres rendent la conception de protocoles WSN diff´erents des autres r´eseaux sans fil (par exemle informatiques). Un exeple est la source d’alimentation limit´ee qui n´ecessite des protocoles WSN d´edi´es `al’´economie d’´energie. Le dernier est le d´eploiement `agrande ´echelle. Dans un r´eseau compos´ede centaines ou de milliers de nœuds de capteurs, l’hˆote peut ˆetre situ´e hors de la port´ee de transmission de certains nœuds, ce qui n´ecessite la communication multi-sauts (multi-hop). Pour r´epondre aux diverses exigences des applications WSN, les concepteurs ont besoin d’envisager un grand nombre de choix de conception au niveau du nœud (par exemple, la consommation d’´energie des composants mat´eriels et la capacit´ede traitement) et de nombreux param`etres au niveau du protocole (par exemple, les algorithmes d’anti-collision et des m´ethodes de routage). Compar´ee aux mesures sur banc de test, la simulation est un moyen ´economique et rapide pour explorer de nombreuses solutions. La simulation est actuellement la m´ethode la plus largement adopt´ee pour analyser les r´eseaux de capteurs. En raison de l’´energie limit´ee sur les nœuds de capteurs, et afin de prolonger la dur´ee de vie du r´eseau, de nombreux efforts ont ´et´eefectu´es pour r´eduire la consommation d’´energie du mat´eriel, du logiciel, du protocole de communication et de l’application. Par cons´equent, il est n´ecessaire de pr´evoir avec pr´ecision la consommation d’´energie des WSN, qui exige des mod`eles d´etaill´es du mat´eriel et du logiciel (HW/SW) des nœuds de capteurs. Beaucoup d’outils de simulation de WSN ont ´et´e d´evelopp´es en utilisant des m´ethodes diff´erentes telles que la simulation g´en´erale du r´eseau, l’´emulation du syst`eme d’exploitation (OS), la simulation d’instructions, et la simulation niveau syst`eme (SLDL). Cependant, la plupart d’entre eux sont mis en œuvre dans les langages de programmation g´en´eriques comme C++ et Java qui ne supportent pas directement la co-simulation de HW/SW. Seul un petit nombre de simulateurs con¸cus en SLDLs supportent la mod´elisation de la concurrence, de l’interruption et des primitives de synchronisation des syst`emes embarqu´es. Par exemple, SystemC est une biblioth`eque en C++ qui permet la conception d’un syst`eme mat´eriel et logiciel. Il permet de mod´eliser le syst`eme embarqu´e `adiff´erents niveaux d’abstraction et permettent aux concepteurs de se concentrer sur les fonctionnalit´es du syst`eme en masquant les d´etails de communication et de calcul. Par cons´equent, afin de permettre la co-simulation mat´erielle / logicielle (HW/SW) des nœuds et l’estimation pr´ecise de la consommation d’´energie des r´eseaux de capteurs, la faisabilit´eet les avantages de l’utilisation de SLDLs dans la mod´elisation et la conception de r´eseaux de capteurs sans fil doivent ˆetre ´etudi´es. Un simulateur en SLDL pour les WSN devrait ˆetre valid´epar des mesures exp´erimentales et ´evalu´een comparant avec les autres simulateurs existants de WSN. Un simulateur de WSN en SystemC, nomm´ee IDEA1 (hIerarchical DEsign plAtform for sensOr Networks Exploration) a ´et´ed´evelopp´e. IDEA1 permet l’´evaluation rapide des performances d’un WSN au niveau syst`eme. Les r´esultats des simulations incluent le taux de livraison de paquets (PDR: Packet Delivery Rate), la latence de transmission et la consommation d’´energie. La principale caract´eristique d’IDEA1 est la pr´ediction pr´ecise de la consommation d’´energie. Le mod`ele d’´energie mis en œuvre dans IDEA1 prend en compte les consommations de puissance de tous les modes op´erationnels de chaque composant mat´eriel et les transitions entre ces diff´erents modes. Plusieurs plateformes de WSN, telless que MICAz et MICA2, sont mod´elis´es. La norme IEEE 802.15.4 est mise en œuvre. IEEE 802.15.4 a ´et´elargement utilis´edans les applications de WSN, car il est con¸cu pour les communications bas d´ebit et pour les applications `afaible consommation d’´energie en conformit´eavec les contraintes des WSN. Quatre simulateurs de WSN en SystemC ont ´et´ed´evelopp´es, mais IDEA1 est le premier simulateur en SystemC de WSN qui a ´et´evalid´eavec des mesures exp´erimentales et ´evalu´e en comparant avec d’autres simulateurs.