Brevet FR2985401A1 — publié le 20130705

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine des réseaux de télécommunication sans fil, en particulier celui des réseaux ad hoc du type réseaux de capteurs. ETAT DE LA TECHNIQUE Un réseau de capteurs sans fil (en anglais, « Wireless Sensor Network ») est un réseau ad hoc de communication sans fil composé de noeuds (en anglais « node ») qui sont des systèmes émetteur/récepteur sans fil, de faible puissance, capables de transmettre des données vers une station de traitement (en anglais, « Sink »). De tels réseaux ont, ces dernières années, suscité un grand intérêt dans des applications pour lesquelles une collecte de données quel que soit le terrain est nécessaire. Il s'agit par exemple de données permettant le suivi de données relatives à l'environnement, à la surveillance de procédé industriels, à la surveillance préventive, à la surveillance de l'habitat, au contrôle du trafic, les urgences, la surveillance militaire, l'agriculture, le suivi de la faune, etc. A la différence des réseaux conventionnels et contrairement aux réseaux traditionnels, un réseau de capteurs a son propre design et des contraintes de ressources comme la quantité d'énergie (batterie), la courte portée de communication, le bas débit, le traitement et le stockage limitée au niveau de chaque noeud qui lui son propre. Dans un tel réseau, chaque noeud souhaite transmettre un paquet de données vers une station de traitement. La transmission des paquets dans ce type de réseau s'inspire des normes IEEE 801.11, IEEE 802.15.4 et IEEE 802.16. Dans ces normes, la gestion d'accès des noeuds au canal de transmission peut reposer sur un mode d'accès avec contention au canal de transmission par fenêtre de contention (en anglais, « Contention Window 30 (CW) ») comprenant K intervalles de durée y (en anglais « s/ots »). Le principe d'un tel accès est le suivant. Avant d'émettre, le noeud vérifie que le canal de transmission est libre. Pour ce faire, chaque noeud choisi un instant aléatoire pour l'accès au canal à l'intérieur de la fenêtre de contention (probabilité d'accès avec succès au canal de transmission). Un but de la gestion d'accès au canal par contention est de faire en sorte qu'à un instant donné, la probabilité qu'un seul noeud émette un paquet de données sur le canal de transmission soit élevée. Lorsqu'un noeud souhaite émettre un paquet de données sur le canal de transmission, il tire un nombre aléatoire k entre 0 et K -1 , qui va servir de compteur à rebours pour l'émission du paquet de requête d'émission (en anglais « Request To Send », (RTS)) qui contient l'identifiant des noeuds émetteur et destinataire ainsi que des détails concernant les données à émettre comme la quantité des données et leur type. Le noeud va alors attendre une durée kv (phase d'écoute du canal, « en anglais, « Channel Sensing », (CS)) et à l'issue de la durée kv si le canal est disponible, c'est-à-dire qu'il n'y a pas un autre noeud qui est en train d'émettre son paquet, il émet son paquet RTS sinon il attend un prochain cycle. Dans ces normes la taille de la fenêtre est variable et comprise entre deux valeurs Kmin et Km', valeurs fixées par les normes. La taille de la fenêtre de contention est modifiée après chaque transmission. Elle est par exemple doublée entre chaque cycle pour réduire la probabilité de collision entre les paquets issus de noeuds différents. Une fois que le paquet RTS est reçu par le récepteur, celui-ci peut répondre avec un paquet « d'accord à l'envoi des données » (en anglais en anglais « Acknowledgement », (ACK)). Une fois que le paquet ACK est reçu, le noeud émetteur du RTS peut envoyer ses données. Toute de suite après la réception des données, le récepteur peut confirmer la bonne réception avec un nouveau message ACK. Une telle gestion de l'accès conduit toutefois à un gaspillage des ressources de chaque noeud, notamment les ressources d'énergie. En effet, le noeud est souvent à l'écoute inutilement (en anglais « idle Iistening»). En outre, chaque fois qu'un noeud reçoit un paquet dont il n'est pas le destinataire il gaspille de l'énergie pour la réception (en anglais «overhearing»). Le problème à résoudre est d'organiser l'accès au canal de transmission en manière efficace afin de prolonger la durée de vie du réseau. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention vise à pallier au moins l'un des inconvénients précités. A cet effet l'invention propose un procédé de régulation d'émission d'un ensemble de systèmes émetteurs/récepteurs d'un réseau local comprenant N systèmes émetteurs/récepteurs souhaitant émettre au moins un paquet de données via le réseau local sans fil, chaque système émetteur/récepteur souhaitant émettre ledit au moins un paquet de données à l'issue d'une période de contention au cours de laquelle un émetteur/récepteur va être autorisé à émettre ou non son paquet de données, le procédé étant caractérisé en ce que la période de contention est décomposée en R fenêtres de contention R > 1 consécutives, chaque fenêtre de contention étant décomposée en K intervalles égaux de durée D suivis d'un intervalle de durée 8, chaque fenêtre de contention correspondant à un tour r de contention ; et en ce que le procédé comprend une étape de détermination, en fonction du nombre N de systèmes émetteurs/récepteurs souhaitant émettre au moins un paquet de données via le réseau local sans fil, du nombre d'intervalles K et du nombre R de fenêtres de contention. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : la détermination du nombre d'intervalles K et du nombre R de fenêtre de contention consiste à attribuer aux systèmes émetteurs/récepteurs une probabilité Pp de participation traduisant une autorisation à obtenir une autorisation d'émettre ou non son paquet de données au cours de la période de contention ; la détermination du nombre d'intervalles K et du nombre R de fenêtre de contention consiste à tester itérativement plusieurs valeurs du nombre d'intervalles K conjointement à une probabilité de participation Pp traduisant une autorisation à obtenir une autorisation d'émettre ou non son paquet de données au cours de la période de contention de la manière suivante : a) définition d'une valeur d'une probabilité de participation Pp ; b) définition du nombre K d'intervalles de la taille de la fenêtre de contention ; c) détermination d'une probabilité de succès Pa fonction du nombre N de noeuds du réseau de communication sans fils souhaitant émettre un paquet de données, de la taille K de la fenêtre de contention et de la probabilité Pp de participation, la probabilité de succès Pa traduisant une émission réussie du paquet de données au cours d'un tour r de contention ; d) répétition des étapes a) à c) jusqu'à ce que Pa > seuil avec la valeur seuil fixée à l'avance. - la taille K de la fenêtre de contention consiste en outre à e) déterminer, pour plusieurs valeurs du nombre de tours R de contention, une probabilité Pfl selon laquelle un émetteur/récepteur va émettre avec succès son paquet de données à l'issue de la période de contention, ladite probabilité Pf? dépendant de la probabilité Pa obtenue à l'étape d) ; f) répétition de l'étape e) jusqu'à obtenir Pe. > seuil, avec la valeur seuil fixée à l'avance - la probabilité P,9 est définie par la fonctionnelle suivante Pfi.. Pa(1 - Pa)(r-1). la probabilité Pa est définie par la fonctionnelle suivante Pa = k\ (N-1).Pp EL1Pp. 17) - pour déterminer si un émetteur/récepteur va être autorisé à émettre ou non son paquet de données, chaque émetteur/récepteur à chaque tour de contention : a) tire un nombre aléatoire k compris entre 0 et K -1 ; b) attend une durée proportionnelle au nombre aléatoire k.19 avant de transmettre un requête en émission de données sur le canal ; c) reçoit une autorisation d'émettre ou une indication selon laquelle le canal est occupé ; d) émet son paquet de données s'il a reçu une autorisation d'émettre ou n'émet pas son paquet de données. la probabilité de participation Pp provient d'une table de correspondance comprenant plusieurs valeurs de probabilité de participation en fonction de plusieurs valeurs du nombre N de systèmes émetteurs/récepteurs du réseau de communication. la valeur seuil est comprise entre 85% et 95%. Et l'invention propose aussi un dispositif d'accès à un réseau de communication sans fil d'un noeud de communication d'un réseau de 20 communication sans fil comprenant des moyens pour mettre en ceuvre un procédé le premier aspect de l'invention. L'invention repose sur le fait que chaque noeud souhaite émettre un paquet de données à l'issue d'une période de contention. Période de contention qui consiste à coupler le principe connu de la fenêtre de 25 contention avec un principe de tours de contention successifs. La période de contention étant de durée fixée par l'application. Un tel couplage permet d'augmenter la probabilité de succès d'accès au canal de transmission. En outre, du fait que le nombre de slots de la fenêtre de contention est optimisé en fonction de la densité du réseau, la consommation d'énergie de chaque noeud nécessaire à l'écoute du canal est limitée. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 illustre un réseau de communications ; io la figure 2 illustre un dispositif d'accès au réseau de communication de chaque noeud du réseau ; la figure 3 illustre une gestion du trafic par fenêtre de contention selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 illustre des étapes d'un procédé selon l'invention ; 15 la figure 4 illustre des étapes d'un procédé d'accès au réseau de communication selon l'invention ; la figure 5 illustre des étapes d'un procédé conforme à un mode de réalisation de l'invention ; la figure 6 illustre des étapes d'un procédé conforme à un 20 mode de réalisation de l'invention ; la figure 7 illustre des étapes d'un procédé conforme à un mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 25 On se place ici dans le cas d'un réseau de capteurs. Bien entendu le procédé ci-dessous peut s'appliquer à n'importe quel système dans lequel des systèmes émetteur/récepteur souhaitent émettent un paquet de données sur le même canal de transmission. La figure 1 illustre un réseau de N capteur comprenant cinq noeuds 30 n1, n2, n3, n4, n5 et une station de traitement S. Un noeud est système émetteur/récepteur. Chaque noeud comporte un dispositif d'accès au réseau de communication sans fil dans lequel est implémenté dans un processeur de ce dernier, un procédé d'accès au réseau de communication sans fil. La figure 2 illustre un dispositif 1000 d'accès au réseau de 5 communication. Un tel dispositif comprend un processeur 110, un module 120 d'accès au réseau pour émettre et recevoir des paquets de données et une mémoire 130. On considère que tous les noeuds souhaitant émettre un paquet de données mettent en oeuvre simultanément, sans interrogation mutuelle, un 10 procédé d'accès au réseau de communication sans fil. On précise ici que chaque noeud du réseau de communication a la connaissance de la densité du réseau. Cette densité peut être obtenue par un procédé d'estimation au cours d'une initialisation du réseau de capteurs par exemple ou bien transmise à 15 chaque noeud par l'intermédiaire de la station de traitement. D'autres techniques connues de l'homme du métier pourront être mises en oeuvre à cet effet. Ces techniques ne seront pas détaillées par la suite. On décrit ce procédé pour un noeud du réseau de communication. La figure 3 illustre la structure temporelle de plusieurs tours de 20 contention et la figure 4 illustre des étapes d'un procédé d'accès au réseau de communication selon une réalisation de l'invention. On précise ici que les noeuds du réseau de communication sont synchronisés, c'est-à-dire qu'ils commencent la phase de contention au même moment. 25 Un noeud du réseau souhaite émettre un paquet de données sur le canal de transmission à destination de la station S de traitement. Pour ce faire, le noeud dispose d'une période de contention décomposée en R fenêtres de contention R > 1 consécutives, chaque fenêtre de contention étant décomposée en K intervalles égaux de durée 19 30 suivis d'un intervalle de durée 8, chaque fenêtre de contention correspondant à un tour r de contention. L'intervalle de durée 8 est la durée prévue pour qu'un noeud qui a reçu une autorisation d'émettre un paquet, émette effectivement ce paquet. En d'autres termes, un noeud souhaitant émettre un paquet de données sur le canal de communication va disposer de cette période de contention pour émettre avec succès son paquet de données. C'est en particulier au cours de cette période qu'un ordonnancement de l'émission des paquets par un ou plusieurs noeuds du réseau va être mise en oeuvre. Il s'agit d'une régulation d'émission d'un paquet de données par un ou plusieurs noeuds du réseau local sans fil via ce réseau local sans fil. A chaque tour r de contention, le noeud tire un nombre aléatoire compris entre et 0 et K -1 où K est la taille de la fenêtre de contention en nombre de slots. Le noeud va alors attendre une durée k.-19 (où 19 est la durée d'un slot) à l'issue de laquelle il va d'abord vérifier que le canal de transmission n'est pas occupé. Pour ce faire il va émettre une requête en transmission (en anglais, « Request to Send », (RTS)). S'il reçoit un accusé réception positif ACK (en anglais, « Acknowledgement ») il émet le paquet de données. Il dispose d'une durée 8 pour émettre son paquet de données. En revanche, si le noeud ne reçoit pas d'accusé réception positif il va 20 attendre le tour de contention suivant pour recommencer. Enfin si le nombre maximal de tours r = R de contention est atteint le noeud peut supposer que le destinataire des RTS n'est pas à portée de communication et il va se mettre en mode attente jusqu'à la prochaine phase de contention. 25 Un but d'une régulation d'émission est d'optimiser - déterminer - des paramètres de la période de contention. En particulier, il s'agit de déterminer en fonction du nombre N de systèmes émetteurs/récepteurs souhaitant émettre au moins un paquet de données via le réseau local sans fil, le nombre d'intervalles K et le nombre R de fenêtres de contention de la 30 période de contention. Afin d'optimiser ces paramètres on met en oeuvre une étape 100 de détermination de la taille K de la fenêtre de contention et du nombre R de fenêtres de contention dans la période de contention. La figure 5 illustre schématiquement des étapes d'une telle optimisation. La taille K et le nombre R de fenêtres de contention dans la période de contention vont être optimisés en fonction de la densité N du réseau de communication sans fil. En d'autres termes, ces paramètres dépendent du nombre N de noeuds en concurrence pour émettre un paquet de données sur le canal. Il s'agit du nombre de noeuds actifs dans le réseau. On décrit ci-dessous plusieurs modes de réalisations pour optimiser la taille K de la fenêtre de contention. On note que selon ces modes de réalisation, la taille de la fenêtre K n'est pas nécessairement la même selon le noeud considéré. En revanche, le 15 nombre R de fenêtres de contention dans la période de contention est identique pour chaque noeud en concurrence. 1er mode de réalisation La figure 6 illustre schématiquement des étapes de ce mode de 20 réalisation. Selon un premier mode de réalisation on a un unique tour de contention unique (c'est-à-dire R=1), dans ce cas seule la taille K de la fenêtre de contention est déterminée. Une telle détermination dépend de la probabilité Pp de participation de 25 chaque noeud traduisant une autorisation à obtenir une autorisation d'émettre ou non son paquet de données au cours de la période de contention. Si chaque noeud qui participe à la contention (le nombre total des participants à la contention est N) tire un nombre aléatoire compris entre et 0 et K - 1, la probabilité de transmettre avec succès son RTS au cours d'un 30 tour r de contention est Pa qui est avantageusement définie par la fonctionnelle suivante : k k)(N-1).PP Pa =EK=1 Pp.K. N.- 1- -K k avec Pp la probabilité de participation. Selon ce mode de réalisation plusieurs valeurs de probabilité de participation Pa conjointement à la taille K de la fenêtre de contention vont être testées itérativement jusqu'à vérifier la contrainte Pa > seuil où la valeur seuil est fixée à l'avance. La valeur seuil est fixée par l'application donnée et est typiquement comprise entre 85% et 95% En d'autres termes, un noeud souhaitant émettre met en oeuvre les 10 étapes suivantes au début de chaque période de contention : a) définition d'une valeur d'une probabilité de participation Pp avec K donnée ; c) définition d'une valeur K de la taille de la fenêtre de contention ; détermination de la probabilité Pa ; et 15 c) répétition des étapes a) - b) jusqu'à ce que Pa > seuil avec la valeur seuil fixée à l'avance (par exemple 95%). 2nd mode de réalisation La figure 7 illustre schématiquement des étapes de ce mode de 20 réalisation. Selon ce mode réalisation on a plusieurs tours de contention (R > 1), chaque noeud détermine la taille K de la fenêtre de contention conjointement au nombre R de tours de sélection et à la probabilité de participation Pp. Il s'agit de manière itérative de déterminer la taille K en fonction de la 25 probabilité Pa pour chaque tour R. L'objectif est de faire émettre le nombre le plus grand possible des émetteurs et donc de maximiser R. Pour cela chaque noeud calcule Ps qui correspond à l'événement : un noeud émet un paquet de données avec succès en R tours de contention, c'est-à-dire à l'issue de la période de contention. La probabilité Pp. est avantageusement définie par la fonctionnelle suivante : Pi3=MiPa(1 Pa )(7.-1), avec Pa défini dans le premier mode de réalisation et R le nombre de tours de contention. Selon ce mode de réalisation, la détermination de la taille K de la fenêtre consiste à tester de manière itérative plusieurs valeurs de taille K conjointement à plusieurs valeurs de la probabilité de participation Pp et d'un nombre R de tours de contention. On note que dans ce mode réalisation, les étapes du premier mode de réalisation sont mises en oeuvre. Les valeurs de la taille K, R et de la probabilité de participation Pp sont celles qui vérifient la contrainte Pfi. > seuil, où seuil est définie à l'avance et dépend de l'application Sème mode de réalisation De manière complémentaire, pour chacun des deux modes de réalisation ci-dessus décrits, les valeurs des différentes probabilités peuvent provenir de tables de correspondance (en anglais, « Look Up Tables » 20 (LUT)). Ces tables de correspondance peuvent être enregistrées dans la mémoire du dispositif d'accès de chaque noeud du réseau de communication ou bien diffusée de manière périodique par la station de traitement S. 25 REVENDICATIONS1. Procédé de régulation d'émission d'un ensemble de systèmes émetteurs/récepteurs d'un réseau local comprenant N systèmes émetteurs/récepteurs souhaitant émettre au moins un paquet de données via le réseau local sans fil, chaque système émetteur/récepteur souhaitant émettre ledit au moins un paquet de données à l'issue d'une période de contention au cours de laquelle un émetteur/récepteur va être autorisé à émettre ou non son paquet de données, le procédé étant caractérisé en ce que la période de contention est décomposée en R fenêtres de contention R > 1 consécutives, chaque fenêtre de contention étant décomposée en K intervalles égaux de durée 19 suivis d'un intervalle de durée 5, chaque fenêtre de contention correspondant à un tour r de contention ; et en ce que le procédé comprend une étape de détermination (100), en fonction du nombre N de systèmes émetteurs/récepteurs souhaitant émettre au moins un paquet de données via le réseau local sans fil, du nombre d'intervalles K et du nombre R de fenêtres de contention. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la détermination du nombre d'intervalles K et du nombre R de fenêtre de contention consiste à attribuer aux systèmes émetteurs/récepteurs une probabilité Pp de participation traduisant une autorisation à obtenir une autorisation d'émettre ou non son paquet de données au cours de la période de contention. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2 dans lequel la détermination du nombre d'intervalles K et du nombre R de fenêtre de contention consiste à tester itérativement plusieurs valeurs du nombre d'intervalles K conjointement à une probabilité de participation Pp traduisant une autorisation à obtenir une autorisation d'émettre ou non son paquet de données au cours de la période de contention de la manière suivante :a) définition d'une valeur d'une probabilité de participation Pp ; b) définition du nombre K d'intervalles de la taille de la fenêtre de contention ; c) détermination d'une probabilité de succès Pc, fonction du nombre N de noeuds du réseau de communication sans fils souhaitant émettre un paquet de données, de la taille K de la fenêtre de contention et de la probabilité Pp de participation, la probabilité de succès Pc, traduisant une émission réussie du paquet de données au cours d'un tour r de contention ; d) répétition des étapes a) à c) jusqu'à ce que Pc, > seuil avec la lo valeur seuil fixée à l'avance. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la taille K de la fenêtre de contention consiste en outre à e) déterminer, pour plusieurs valeurs du nombre de tours R de 15 contention, une probabilité Pfi, selon laquelle un émetteur/récepteur va émettre avec succès son paquet de données à l'issue de la période de contention, ladite probabilité PR dépendant de la probabilité Pa obtenue à l'étape d) ; f) répétition de l'étape e) jusqu'à obtenir Pi, > seuil, avec la valeur seuil 20 fixée à l'avance 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel la probabilité Pfl est définie par la fonctionnelle suivante Pig=ri?.=.14,(1 - P0)(r-1). 25 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5 dans lequel la probabilité Pa k est définie par la fonctionnelle suivante Pa = _ K)1\ (N-1).Pp 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel pour déterminer si un émetteur/récepteur va être autorisé à émettre ou non son paquet de données, chaque émetteur/récepteur à chaque tour de contention : a) tire un nombre aléatoire k compris entre 0 et K -1 ; b) attend une durée proportionnelle au nombre aléatoire k.6 avant de transmettre un requête en émission de données sur le canal ; c) reçoit une autorisation d'émettre ou une indication selon laquelle le canal est occupé ; d) émet son paquet de données s'il a reçu une autorisation d'émettre 10 ou n'émet pas son paquet de données. 8. Procédé selon l'une des revendications 2 à 7 dans lequel la probabilité de participation Pp provient d'une table de correspondance comprenant plusieurs valeurs de probabilité de participation en fonction de plusieurs 15 valeurs du nombre N de systèmes émetteurs/récepteurs du réseau de communication. 9. Procédé selon l'une des revendications 3 à 8 dans lequel la valeur seuil est comprise entre 85% et 95%. 20 10. Dispositif d'accès à un réseau de communication sans fil d'un noeud de communication d'un réseau de communication sans fil comprenant des moyens pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications précédentes.