Topology Control Coverage Localization Time Synchronization Сайт курса

Topology Control. Coverage. Localization. Time Synchronization. Сайт курса: http: //www. sumkino. com/wsn/course Садков Александр Аспирант РФ axel@wl. unn. ru http: //www. wl. unn. ru

План § Введение § Контроль топологии сети (Topology Control) § Зона покрытия (Sensing Coverage) § Локализация (Localization) § Временная синхронизация (Time Synchronization) § Заключение

Topology Control § Вопросы размещения узлов § Вариант 1: Случайное расположение § Какие свойства связности и зоны покрытия в случайном графе? § Вариант 2: Структурированное размещение § Как и где расположить узлы, чтобы обеспечить необходимую связность и зону покрытия при этом сделать энергетические затраты минимальными?

Topology Control §Вопросы контроля топологии сети § Использование плотности размещения. § При данной плотности размещения, когда не все узлы требуются для создания связанной топологии, каким сделать duty-cycle узлов для сохранения энергии. § Методология § Эмпирическая адаптация (ничего не известно о первоначальном разположении узлов) § Аналитическая адаптация (подразумевается что известна плотность/расположение)

Случайное размещение узлов

Topology Control Связность сети § Идеализированная геометрическая модель для беспроводных каналов: полная слышимость в пределах радиуса R § Граф сети G формируется узлами как вершинами графа и каналами между узлами как гранями графа. § Основное понятие связности: если существует хоть один multi-hop пусть между парой любых узлов, то сеть является связанной.

Topology Control Случайоное расположение узлов § Узлы размещаются случайным образом (разбрасываются в самолета, замешиваются в бетон и т. д. ) § В данном случае вопросы средней плотности сети и радиуса действия являются очень важными. § Вопросы связности сети могут быть расмотрены с помощью Теории случайных графов или Перколяционной теории.

Topology Control Случайные графы § Случайный граф Бернулли G(n, p): грань между любой парой из n узлов существует независимо с вероятностью p. § Геометрический случайный граф G(n, R): n узлов расположены с равномерным случайным распределением на конечной территории, грань между любой парой узлов существует в пределах радиуса R.

Topology Control Фазовый переход в связности

Guest Speaker Константин Мишагин

Topology Control § Если цель – построить связанную сеть при плотном размещении узлов, доастаточно использовать только небольшое их количество (остальные могут находиться в спящем состоянии). § Необходимо гарантировать достаточную плотность узлов в активном состоянии в данный момент времени, чтобы сеть была полностью связанной.

Topology Control Почему мы должны делать сети с высокой плотностью? § Позволяет повысить надежность сети и добиться устойчивости к отказам. § Не всегда возможно провести дополнительное размещение узлов. § Слишком дорого размещать узлы по требованию (когда другие узлы умирают) § Может быть необходимо для достижения достаточной зоны покрытия измеряемого явления. § Сенсоры более эффективны, когда они близко расположены к измеряемому явлению. § Измерение из нескольких точек дает больше возможностей.

Topology Control § Основная идея. § Найти набор узлов из k узлов, который обеспечит необходимую зону покрытия. § Менять узлы, чтобы хотя бы k из них были в активном состоянии, а остальные в спящем. § Minimal Connected Dominating Set (MCDS) § Находится доминирующий набор, затем находится подмножество узлов, которые соединяют все узлы в доминирующий набор. § AFECA, GAF, CEC, Span § Оценка плотности § Поиск подмножества узлов, которые обеспечивают определенный порог плотности. § ASCENT, PEAS. § Гибридные § STEM

ASCENT: Adaptive Self-Configuring s. Ensor Networks Topologies. Alberto Cerpa and Deborah Estrin UCLA http: //lecs. ucla. edu/Publications/papers/ASCENT-Infocom-2002. ps

ASCENT: Adaptive Self-Configuring s. Ensor Networks Topologies § Различные приложения могут требовать, чтобы топология сети имела различные характеристики. § Минимальная. § Гомогенная с определенной степенью связности. § Гетерогенная с различной связностью в разных районах. Примерами таких районов могут быть: § На пути информационных потоков. § Избегая путей информационных потоков. § На границе наблюдаемого явления. § Цель – использовать избыточность в системе (высокую плотность), чтобы сохранить энергию предоставляя топологии адаптироваться для нужд конкретных приложений.

ASCENT: Adaptive Self-Configuring s. Ensor Networks Topologies § Связность – очень сложная вещь в реальном мире. Многолучевые эффекты, ассиметричность каналов и пр. не позволяют создать точную радио модель. § ASCENT использует эмпирическую адаптацию. Каждый узел оценивает связность и подстраивает свое участие в топологии сети. § ASCENT только нужно выключить радио (sleep state) и иметь возможность перевести NIC/MAC в смешанный режим (passive state) § ASCENT работает между MAC уровнем и уровнем маршрутизации. Он не зависит от использоваемого протокола маршрутизации и не использует информацию собранную на сетевом уровне.

ASCENT: Adaptive Self-Configuring s. Ensor Networks Topologies § Узел может находится либо в активном либо в пассивном состоянии. § В активном состоянии узел принимает участие в маршрутизации пакетов. § Узел в пассивном состоянии может «спать» или проводить измерение параметров сети. Не маршрутизирует сообщения. § Каждый узел знает количество своих соседей и локально измеряет потери пакетов. § Каждый узел принимает решение включиться в топологию сети или произвести некоторую адаптацию (уменьшить duty-cycle для сохранения энергии)

ASCENT: Adaptive Self-Configuring s. Ensor Networks Topologies

ASCENT: Adaptive Self-Configuring s. Ensor Networks Topologies § Каждый узел добавляет порядковый номер (sequence number) в каждый пакет, что позволяет определить потери пакетов. § Оценка количества соседей: neighbor loss threshold (NLT) = 1 - 1/N (Nчисло соседей в предыдущем цикле. § Значение neighbor threshold (NT) определяет средний уровень связности сети. § The loss threshold определяет максимальное количество потерь данных, которое зависит от конкретного приложения. § Отношение Tp/Ts (passive/sleep timers) определяет затраты энергии и отклик системы на динамические изменения.

ASCENT: Adaptive Self-Configuring s. Ensor Networks Topologies

ASCENT: Adaptive Self-Configuring s. Ensor Networks Topologies § Достоинства. § Эмпирическая подстройка повышает надежность работы сети. § Недостатки. § Высокие накладные расходы (справедливо для всех адаптивных схем управления топологией). § Много параметров настройки сети, влияние которых на поведение системы не совсем ясно. § Neighbor threshold, loss threshold, neighbor loss threshold, итд.

Структурное размещение и зона покрытия

Структурное размещение и зона покрытия § Модели покрытия сети. § Круговая модель § Сенсоры с угловым покрытием § Поиск наиболее оптимального расположения узлов в условиях следующих ограничений: § Зона покрытия. § Зона радиокорытия (связность) § Стратегия сбора данных.

Структурное размещение и зона покрытия Ограничения § Зона покрытия. § Область измерения должна быть покрыта сенсорами. § Определенные точки покрытия. § Постоянный мониторинг. § Радиопокрытие. § Необходимо создать связанную топологию. § Характеристики области размещения.

Структурное размещение и зона покрытия Круговая модель § Событие может быть зарегистрировано только в пределах радиуса R от сенсора. § Подобно круговой модели радиопокрытия. § SNR падает с расстоние, на некотором расстояние он становится ниже границы обнаружения. § Акустические, вибрационные (сейсмические) события. § Проблема покрытия: Как расположить узлы, чтобы каждая точка была покрыта хотя бы одним сенсором (кругом).

Структурное размещение и зона покрытия Угловая модель § Каждый сенсор имеет ограниченную зону видимости по углу. § Камера, радар. § Проблема покрытия: Как расположить и ориентировать разные узлы, чтобы покрыть определенный район.

Структурное размещение и зона покрытия § В каких случая круговая/угловая модель применима? § Источник точечный и SNR затухает с расстоянием. § Когда сенсор не может зарегистрировать сигнал если расстояние больше R (SNR слишком мало): Камера, Радар. § 1/0 модель: Либо детектирует, либо нет. § В каких случая круговая/угловая модель не применима? § При измерении пространственно меняющихся явлений (температура, погода). § Зависит от приложения. § Что делать, чтобы определить зону покрытия для непрерывно меняющихся явлений.

Структурное размещение и зона покрытия Voronoi Diagram § Вход: Набор точек на плоскости. § Выход: Плоскость разделенная на ячейки. Каждая ячейка содержит все наиближайшие точки к определенному узлу. . § Построение § Проводятся средние линии, отделяющие узел от всех других. § Voronoi Diagram – это пересечение всех полуплоскостей.

Структурное размещение и зона покрытия Maximal breach path: путь, который максимизирует наилучшее приближение к любому узлу. Maximal support path: путь, который минимизирует максимальное расстояние к любому узлу. S. Meguerdichian, F. Koushanfar, M. Potkonjak, and M. B. Srivastava, “Coverage problems in wireless ad-hoc sensor networks”, INFOCOM 2001.

Структурное размещение и зона покрытия

Localization

Localization § Что такое локализация? § Механизм для определения пространственного соотношения между объектами. § Почему локализация важна? § Фундаментальное требование для многих сервисов (географический роутинг и пр. ) § Локализация придает данным с сенсоров физический смысл. § Температурные данные – температурная карта области. § Трекинг цели

Localization § Базовые принципы § Проблемы локализации: § Технологии: RSSI / Акустические / Ультразвуковые § Оценка ориентации при использовании акустических методов. § Эффект Beacon Geometry на ошибки § Распределенная multi-hop локализация

Localization § Базовые станции рассылают свои координаты и посылают опорный сигнал. § PDA по опорному сигналу оценивает расстояние до каждой базовой станции. § Расстояние оценивается с ошибкой.

Localization § Определение расстояния и Локализация § Как точно оценить расстояние? § Можно ли локализовать, без точнойй оценки расстояния? § Ориентация § Как оценить направление? § Топология § Влияние расположения маяка (beacon). § Multi-hop § Расширение простой триангуляции на multi-hop случай.

Localization RSSI § Сигнал затухает линейно с логарифмом расстояния § S=S 0 + n*log (d) § di=sqrt ((xi – x 0)2 + (yi – y 0)2) § Используя триангуляцию, находим координаты точки. § Но в реальной жизни все гораздо сложнее! § шум, многолучевой распространение, отражения и пр.

Localization Acoustic / Ultra. Sound Acoustic Mote UCB/UCLA NESL MK-II Ultrasound Localization MIT Cricket Project Ultrasound Localization

Localization Acoustic / Ultra. Sound § Достоинства. § Невысокая скорость распространения сигнала – легкое измерение времени распространения (To. F) § Точная синхронизация достигается посылкой Радио сигнала. § Недостатки § Датчики потребляют много энергии § Необходима прямая видимость. § Звуковой диапазон имеет ряд преимуществ, но не всегда подходит. Обвчно используется ультразвук.

Localization Acoustic / Ultra. Sound § Радио сигнал используется для синхронизации приемника и передатчика. § Акустический сигнал посылается передатчиков и принимается микрофоном. Расстояние определяется по разнице времени приема Радио и Акустивеского сигналов.

Localization Acoustic / Ultra. Sound § Ошибка определения зависит от расстояния и угла приема.

Localization Определение направления § Система с несколькими акустическими каналами приема. § Разница времен прихода сигнала по разным каналам определяет угол приема сигнала.

Localization Расположение маяков § Какие три маяка дадут наименьшую ошибку ?

Localization Расположение маяков Хорошое расположение маяков

Localization Расположение маяков Плохое расположение маяков

Localization Расположение маяков Важно не расстояние, а угол под которыми расположены маяки.

Временная синхронизация

Временная синхронизация в Беспроводных Сенсорных Сетях § Обнаружение событий (event) § Как много транспорта прошло по шоссе за время t. § Необходимая точность 1 сек. § Совместная обработка данных § Определение цели с точностью 1 см использую разницу прихода акустического сигнала. § Необходимая точность 1 мс. § Duty-Cycling § Точная информация о времени перехода соседних узлов в спящий режим и обратно. § Необходимая точность 1 мкс.

Временная синхронизация

Временная синхронизация § NTP (Network Time Protocol): Используется в Интеренете § GPS: микросекундная синхронизация. § WWVB и другие системы передачи сигналов точного времени. § Высоко стабильные осцилляторы ( Рубидий, Цезий).

Временная синхронизация § NTP: Золотой стандарт используемый миллионами. § Особенности: § Синхронизирует часы на компьютерах и роутерах в сети Интернет. § Обеспечивает субмиллисекундную синхронизацию в LAN, и десятки миллисекундр в Wi-Fi. § Разработан чтобы уменьшить джиттер, влияние множества источников и избежать некоректной работы серверов. § Более 100 000 NTP точек синхронизации распределенных по всему Интернету.

Временная синхронизация § Необходимая точность. § Интернет приложения: 1 мс § Сенсорные сети: 1 сек – 1 мкс §Ограниченные ресурсы: § Интернет: Ресурсы не ограничены. Можно усреднять ошибку используя передачу множества пакетов. § Сенсорные сети: Энергия. Нужно использовать небольшое количество пакетов. § Источники неопределенности. § Интернет: Высокие. Очереди в роутерах, загрузка сети, различные скорости обработки на хостах и пр. § Сенсорные сети: Низкие. В основном синхронизация в пределах одного hop.

Временная синхронизация Использование GPS § Достоинства. § Высокая точность: 10 -100 нс. § Надежность. §Недостатки: § Не работает в помещениях, под водой и т. д. § Если что-то произошло, восстановление занимает долгое время (30 мин). § Дорого. § Энергетически затратно.

Временная синхронизация Использование Сигналов Точного времени § Периодически посылает время используя мощные передатчики. § Недостатки: § Специальный приемник. § Невысокая точность (типичное значение 0. 5 сек). § Частые сбои.

Временная синхронизация

Временная синхронизация Ошибки измерения

Временная синхронизация Ошибки измерения

Временная синхронизация Синхронизация приемник-приемник Основная идея: Использование стороннего передатчика, для синхронизации приемников.

Временная синхронизация Синхронизация приемник-передатчик

Временная синхронизация Временная рассинхронизация

Временная синхронизация Multi-hop synchronization § Задача может быть разделена на несколько подзадач R-R и S-R синхронизации. § Комбинируя разные источники информации может дать лучшую синхронизацию точка.

Временная синхронизация Multi-hop synchronization

Заключение § Контроль топологии сети (Topology Control) § Зона покрытия (Sensing Coverage) § Локализация (Localization) § Временная синхронизация (Time Synchronization)

Литература § Localization in Sensor Networks A. Savvides, L. Girod, M. Srivastava, and D. Estrin, Book Chapter, Wireless Sensor Networks, Edited by Znati, Radhavendra and Sivalingam. § Power-Efficient Sensor Placement and Transmission Structure for Data Gathering under Distortion Constraints D. Ganesan, R. Cristescu and B. Berefull-Lozano § Coverage in wireless ad hoc sensor networks X. Li, P. Wan, and O. Frieder § Impact of Heterogeneous Deployment on Lifetime Sensing Coverage in Sensor Networks, Jae-Joon Lee, Bhaskar Krishnamachari, C. C. Jay Kuo § Topology Control for Wireless Sensor Networks J. Pan, Y. T. Hou, L. Cai, Y. Shi, and S. X. Shen

The End