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Drahtlose Sensornetzwerke

Drahtlose Sensornetzwerke. Agenda. Einführung Anwendungsgebiete drahtloser Sensornetzwerke Entwurfskriterien für Sensornetzwerke Kommunikationsarchitektur. Sensor, Aktor. Energie. HF. Prozessor. Einführung. Was sind drahtlose Sensornetzwerke?

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Drahtlose Sensornetzwerke

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Presentation Transcript

  1. Drahtlose Sensornetzwerke

  2. Agenda • Einführung • Anwendungsgebiete drahtloser Sensornetzwerke • Entwurfskriterien für Sensornetzwerke • Kommunikationsarchitektur

  3. Sensor,Aktor Energie HF Prozessor Einführung • Was sind drahtlose Sensornetzwerke? • Verbund aus Mikrosensoren, die drahtlos miteinander kommunizieren • Bestandteile: • Sensor • Prozessor • Kommunikationseinrichtung • Energiequelle Philosophie: Ein einziger Sensor ist nutzlos. Erst das Zusammenwirken von hunderten oder tausenden von Sensoren bringt verwertbare Ergebnisse.

  4. Xbow Mica Motes Einführung • Definition: • Ein Sensornetzwerk besteht aus einer großen Anzahl von Sensorknoten, die in hoher räumlicher Dichte innerhalb oder in der Nähe eines Phänomens platziert sind sowie aus einer oder mehreren Basisstationen, die die Sensordaten sammeln und verarbeiten. • Eigenschaften • Selbstorganisierend • Teilverarbeitung derSensordaten bereitsauf dem Sensorboard • Ortsinformationenverfügbar

  5. Einführung • Unterschiede zw. Sensornetzwerken und Ad-Hoc-Netzwerken • Zahl der Knoten in einem Sensornetzwerk viel größer als in einem Ad-Hoc-Netzwerk • Sensorknoten sind sehr dicht verteilt • Sensorknoten sind fehleranfällig • Topologie eines Sensornetzwerkes ändert sich sehr oft • Sensornetzwerke nutzen oft Broadcast-Kommunikation, während in Ad-Hoc-Netzwerken größtenteils Point-to-Point kommuniziert wird • Sensorknoten sind ressourcen-ärmer RFID-Tag (passiv)

  6. Einführung • Low-Power-Ansatz • Neben der Größe ist der geringe Energieverbrauch die bedeutendeste Herausforderung bei der Entwicklung von drahtlosen Sensornetzwerken1: 1. L. Doherty et al., “Energy and Performance Considerations for Smart Dust,” Int’l J. Parallel Distributed Systems and Networks, vol. 4, no. 3, 2001, pp. 121–133.

  7. Einführung • Low-Power-Ansatz • Idealfall: Sensorknoten erzeugen sich benötigte Energie selbst1: • Zum Vergleich: • Nominale Sendeleistung eines Klasse-2-Bluetooth-Gerätes:1mW 1. L. Doherty et al., “Energy and Performance Considerations for Smart Dust,” Int’l J. Parallel Distributed Systems and Networks, vol. 4, no. 3, 2001, pp. 121–133.

  8. Anwendungen für Sensornetzwerke

  9. Anwendungen für Sensornetzwerke • Welche Daten können Sensoren erfassen? • Temperatur • Feuchtigkeit • Bewegung • Lichtverhältnisse • Druck • Bodenbeschaffenheit • Geräusche • Mechanische Spannung • Geschwindigkeit, Richtung, Größe, Präsenz/Abwesenheit von Objekten Bloodgas sensor (IMEC) IR Sensor (IMEC)

  10. Sensors Anwendungen für Sensornetzwerke • Umweltüberwachungen • Waldbranderkennung / -bekämpfung • Überwachung natürlicheroder künstlicher Lebensräume • "Präzisions-Landwirtschaft" • Hochwasserbekämpfung und-prävention

  11. Intrakorporale Messungen Anwendungen für Sensornetzwerke • Anwendungen im Gesundheitswesen • Überwachung von physiologischen Datenz. B. beim Betreuten Wohnen • Lokalisierung von Personal und Patientenin einem Krankenhaus • "Smart Pill"

  12. Anwendungen für Sensornetzwerke • Militärische Anwendungen • Überwachung der eigenen Truppen, desMaterials, der Munition • Überwachung von Kampfplätzen • Erkundung des Gegners und fremdenTerrains • "Intelligente Munition" • Früherkennung von ABC-Angriffen

  13. Materialüberwachung Anwendungen für Sensornetzwerke • Weitere Anwendungsmöglichkeiten: • Das intelligente Haus • Supermarkt • Materialüberwachungen • Erkennen von Autodiebstählen • ...

  14. Entwurfskriterien für Sensornetzwerke

  15. Entwurfskriterien • Fehlertoleranz • Skalierbarkeit • Produktionskosten • Einsatzumgebung • Netzwerktopologie • Hardware • Kommunikation • Energieverbrauch

  16. Entwurfskriterien • Fehlertoleranz • Zuverlässigkeit Rk(t) eines Sensorknotens: • wobei: k = Fehlerrate t = Betrachtungszeitraum Der Ausfall einzelner Sensorknoten darf die Funktionsweise des Sensornetzwerkes nicht beeinflussen! Tatsächliche Zuverlässigkeit wird stark vom Anwendungsszenario bestimmt (Smart Home vs. Battlefield Surveillance)

  17. Entwurfskriterien • Skalierbarkeit • Sensornetzwerke bestehen aus Hunderten bzw. Tausenden Sensorknoten. • Kommunikationseinrichtungen und Protokolle müssen mit diesen Größenordnungen mithalten • Knotendichte (R) eines Sensornetzwerkes: • wobei: N = Anzahl der Sensorknoten A = Verteilungsgebiet (Fläche) R = Übertragungsreichweite der Knoten Knotendichtebeschreibt die Anzahl der Knoten innerhalb der Übertragungsreichweite jedes Knoten in Region A.

  18. Entwurfskriterien • Produktionskosten • Kosten / Sensorknoten müssen sehr niedrig sein • Stand der Technik • Bluetooth: • 10 $ in großen Stückzahlen • 70 $ für Endverbraucher • PicoRadio • 1 $ (angestrebter Preis) Damit der Einsatz eines Sensornetzwerkes kostengünstiger als die Verwendung von traditioneller Sensortechnik ist, muss der Preis eines einzelnen Sensorknotens weit unter 1$ liegen. ... Problem?

  19. Entwurfskriterien • Hardwareaspekte • Grundkomponenten eines Sensorknotens: • Zusätzliche Komponenten: • Ortungssystem • Energieerzeugung • "Mobilizer"

  20. Xbow Mica Motes Entwurfskriterien • Hardwareaspekte • Prozessoren / Controller aktueller Sensorknoten • Smart Dust Mica Mote (Berkeley) • 4 MHz Atmel AVR 8535 • 8 kB Flash • 512 B RAM • 512 B EEPROM • Tiny OS • AMPS (MIT) • SA-1110 Microprozessor • -OS

  21. Entwurfskriterien • Topologie von Sensornetzwerken 1. Ausbringungsphase: • Abwerfen vom Flugzeug • Manuelles Platzieren(Fabrik, Haus) 2. Einsatzphase: • Topologieveränderungen durchVeränderungen der: • Position • Erreichbarkeit • Energieniveau • Aufgabe ... einzelner Sensorknoten Micro Air Vehicle (MAV)

  22. Entwurfskriterien • Übertragungsmedien • RF-Kommunikation meist im ISM-Band (Industry-Science-Medicine) Bluetooth

  23. Entwurfskriterien • Übertragungsmedien Smart Dust Smart Dust Sensorknoten

  24. Entwurfskriterien • Energieverbrauch von Sensorknoten • Kommunikation • größter Verbraucher • ETx = ERxfür kurze Übertragungswege und geringe Sendeleistung (~1 mW) • Leistung PC einer RF-Kommunikationseinrichtung: PT/R = Leistungsaufnahme des Transmitter/Receiver Pout = Sendeleistung des Transmitter T/Ron = Transmitter/Receiver Betriebszeit T/Rst = Transmitter/Receiver Startzeit NT/R = Anzahl der Einschaltvorgänge je Zeiteinheit

  25. Entwurfskriterien • Energieverbrauch von Sensorknoten • Computation • Leistungsaufnahme PP einer Processing-Einheit C = Schaltkapazität (switching capacitance) Vdd = Spannungshub (voltage swing) f = Schaltfrequenz (switching frequency) (der zweite Summand beschreibt die Leistungsaufnahme durch Leckströme)

  26. Kommunikationsarchitektur

  27. Kommunikationsarchitektur • Applikationsschicht • Transportschicht • Netzwerkschicht • Sicherungsschicht • Bitübertragungsschicht

  28. Application Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer Kommunikationsarchitektur • Einführung • Struktur eines Sensornetzwerkes: Sensornetzwerk-Protokollstack

  29. Kommunikationsarchitektur • Anwendungsschicht (Application Layer) • SMP – Sensor Management Protocol • Erfüllt BS-Aufgaben • TADAP – Task Assignment and Data Advertisement Protocol • Weist Knoten bestimmte Rollen zu • SQDDP – Sensor Query and Data Dissemination Protocol • Stellt Schnittstellen zum Abfragen von Sensordaten zur Verfügung • Transportschicht (Transport Layer) • Ist wichtig, um von einem anderen Netzwerk (z.B. Internet) auf ein Sensornetzwerk zuzugreifen. • Weitgehend unerforscht • TCP zu speicherintensiv • UDP-ähnliches Protokoll eher anwendbar

  30. - Direkte Übertragung - Multihop - Clustering Kommunikationsarchitektur • Netzwerkschicht (Network Layer) • Kommunikationsmodelle für Sensornetzwerke

  31. Kommunikationsarchitektur • Netzwerkschicht (Network Layer) • Multihop-Multipath-Routing T = Datenquelle PA= verfügbare Energie im Knoten = benötigte Übertragungs- energie

  32. Kommunikationsarchitektur • Netzwerkschicht (Network Layer) • Multihop-Multipath-Routing Strategien: Maximum Available Power Minimum Energy Minimum Hop Maximum Minimum PA

  33. Kommunikationsarchitektur • Netzwerkschicht (Network Layer) • Clustering • Das Problem: • Wähle j Clusterköpfe aus N Knoten ohne Kommunikation zwischen den Knoten • Einfache Lösung: • Jeder Knoten bestimmt Zufallszahl x zwischen 0 und 1 • Wenn x<j/NKnoten wird Clusterkopf • Funktioniert, aber: Clusterköpfe verbrauchen viel mehr Energie als Nicht-Clusterköpfe! Wie kann der Energieverbrauch gerechter verteilt werden?

  34. Kommunikationsarchitektur • Netzwerkschicht (Network Layer) • Clustering • LEACH-Algorithmus (MIT) • Betrieb von LEACH ist in Runden aufgeteilt • Jede Runde besteht aus • Setup-Phase • Steady-State-Phase • Knoten werden abwechslend zu Clusterköpfen ernannt • Jeder Knoten ermittelt wiederum eine Zahl x zwischen 0 und 1 • Wenn x<T(n) Knoten wird Clusterkopf für die aktuelle Runde

  35. Kommunikationsarchitektur • Netzwerkschicht (Network Layer) • Schema eines LEACH-Netzwerkes:

  36. Kommunikationsarchitektur • Netzwerkschicht (Network Layer) • Clustering (LEACH) • Bestimmung des Grenzwertes T(n): P = Clusterkopf-Wahr- scheinlichkeit (j/N) r = Nummer der aktuellen Runde G = Menge der Knoten, die nicht innerhalb der letzten 1/P Runden Clusterkopf gewesen sind Jeder Knoten wird genau ein mal innerhalb 1/P Runden zum Clusterkopf!

  37. Kommunikationsarchitektur • Netzwerkschicht (Network Layer) • Clustering (LEACH) • Nachteil des gezeigten Algorithmus: • Clusterkopf-Auswahl stochastisch • Lösung: XLEACH: • Einbeziehung der Energieniveaus der einzelnen Knoten rs = Anzahl der aufeinanderfolgenden Runden, in denen ein Knoten nicht Clusterkopf gewesen ist  Erhöhung der Lebensdauer des Sensornetzwerkes

  38. First Node Dies (FND) • QOS des Netzwerkes verringertsich erheblich, wenn ein Knoten stirbt • Half of the Nodes Alive (HNA) • Der Verlust eines einzelnen oderweniger Knoten beeinträchtigt QOS nicht • Last Node Dies (LND) • Maximale Lebensdauer eines Sensor-netzwerkes (theoretischer Wert) Kommunikationsarchitektur • Exkurs: Lebensdauer eines Sensornetzwerkes

  39. Netzwerkarchitektur • Netzwerkschicht (Network Layer) • Übersicht über verwendete Protokolle der Netzwerkschicht für Sensornetzwerke:

  40. Kommunikationsarchitektur • Sicherungsschicht (Data Link Layer) • Aufgaben: MAC, Fehlerkontrolle • Besonderheiten eines MAC-Protokolls für Sensornetzwerke: • energiesparend • Mobilität unterstützend • muss auf Ausfälle einzelner Knoten reagieren können • Kleinster Energieverbrauch: • TDMA-Varianten, synchronisiert von der Basisstation • Bsp.: LEACH:

  41. Kommunikationsarchitektur • Bitübertragungsschicht (Physical Layer) • Aufgaben: • Frequenzauswahl • Erzeugung der Trägerfrequenz • Signalerkennung • Modulation • Verschlüsselung n = Path Loss Exponent (Dämpfung) n = 2  theoretischer Wert Real: n>3 Etx~dn

  42. Kommunikationsarchitektur • Bitübertragungsschicht (Physikalische Schicht) • Abschätzung des Path-Loss-Exponenten für 5,85 GHz(Virginia Techn. Universität)

  43. Derzeitige Forschungsprojekte

  44. Anwendungsbeispiel • Sensornetzwerk zur Lebensraumüberwachung • UCB und Intel

  45. Anwendungsbeispiel

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