Беспроводной канал в сенсорных сетях

1. Беспроводной канал в сенсорных сетях Сайт курса: http://www.sumkino.com/wsn/course Садков Александр Аспирант РФ axel@wl.unn.ru http://www.wl.unn.ru

2. План • Введение • Эффекты в беспроводных каналах связи • Пространственные характеристики • Потери пакетов в канале • Ассиметричные каналы • Временные характеристики • Эффект «захвата». • Влияние на протоколы верхних уровней • Моделирование. • Заключение

3. Введениев беспроводные каналысвязи в сенсорных сетях

4. Основы распространения радиоволн • Простая модель: Волновой фронт распространения радиоволн от изотропного источника в свободном пространстве. • Pr = Pt A / (4πr2) • Мощность сигнала обратнопропорциональна расстоянию. • Характеристики антенны.

5. Основы распространения радиоволн • Отражение • Радио волны отражаются от объектов >> λ (30 cm @1 GHz) • Земная поверхность, стены, мебель, здания. • Дифракция • Радио трасса может перекрываться множеством объектов. • Радиоволны могут огибать такие препятствия. • Это объясняет каким образом существует радиосвязь в отстутствии прмой видимости. • Рассеяние • Когда среда имеет множество объектов < λ (30cm @1 GHz) • Принцип похож на дифракцию, но рассеивается во множестве направлений. • Шероховатые поверхности, небольшие объекты. • Другие : Fading and multipath

6. Основы распространения радиоволн • Крупномасштабные и мелкомасштабные эффекты. • Потери распространения (Path Loss). • Затенения (Shadowing) • Замирания (Fading)

7. Основы распространения радиоволнLog-normal shadowing model • Мощность сигнала затухает с расстоянием с постоянной экспонентой, которая зависит от условий окружающей среды. • Затенения • Связаны с ослаблением сигнала вследствии пересечения затенящими объектами линии пересечения приемника и передатчика. • Могут моделироваться как логарифмический член с гауссовским распределением. PL(d) = PL(d0) +10 n log (d / d0) + Xσ

8. Основы распространения радиоволнLog-normal shadowing model • Небольшой масштаб – порядка длины волны. • Интерференция волн, отраженных от разных объектов. • Сильное влияние в indoor environment. • Моделируется с помощью различных распределений. • Релеевские каналы. • Райсовские каналы. • В идеальном случае, когда нет мобильных объектов и вся обстановка статична, замирания не должны зависеть от времени.

9. Основы распространения радиоволнLog-normal shadowing model K. Sohrabi, B. Manriquez, and G. Pottie, "Near Ground Wideband Channel Measurement", IEEEVehicular Technology Conference, 1999.

10. Основы распространения радиоволнLow-power wireless links • Окружающая среда • Как узлы ведут себя в реальной среде (лес, земля и т.д.) • Масштабируемость. • Какие радио характеристики проявляются в больших сетях (возможно с большой плотностью). • Взаимодействие между уровнями. • Как влияет на протоколы сетевого и MAC уровней. • Моделирование. • Как моделировать беспроводные каналы для повышения точности симуляторов.

11. Основы распространения радиоволнПочему сложно изучать и моделировать? • Технологии «железа». • Частота, тип антенны, уровень мощности, чувствительность, модуляция, кодирование. • Различные приложения. • MAC, размер пакета, схемы повторной передачи, распределение трафика. • Условия окружающей среды. • Indoor/Outdoor, окружающие материалы, погодные условия, условия размещения (LOS or NLOS).

12. Различные эффекты в беспроводных каналах связи

13. Эффекты в беспроводных каналах связиПространственные эффекты CC1000 Radio Propagation Zigbee Radio Propagation *Zhou et. al. 04, Polastre et al, 04

14. Эффекты в беспроводных каналах связиПространственные эффекты • Непрерывное изменение. • Потери сигнала меняются непрерывно с изменением рассматриваемого угла. • Причины. • Отражение, дифракция, рассеивание. • Диаграмма направленности антенны. • Особенности железа.

15. Эффекты в беспроводных каналах связиПространственные эффекты Неизотропность RSSI проявляется в сильной вариации PRR. Low transmit power High transmit power D. Ganesan, B. Krishnamachari, A. Woo, D. Culler, D. Estrin, and S. Wicker. ComplexBehavior at Scale: An Experimental Study of Low-Power Wireless Sensor Networks.

16. Эффекты в беспроводных каналах связиTransition region Reception rate vs Distance • Reception Rate: процент принятых пакетов от переданых. • Нет четкой корелляции от расстояния. Сильно варьируется. • Среднее значение соответствует традиционной модели распространения радиоволн d-n.

17. Эффекты в беспроводных каналах связиTransition region • Множество соседних узлов может попасть в «переходную область». A. Woo, T. Tong, and D. Culler. Taming the Underlying Challenges of Reliable Multihop Routing in Sensor Networks. Sensys'03.

18. Эффекты в беспроводных каналах связиTransition region

19. Эффекты в беспроводных каналах связиLink Asymmetry • Узел A может передавать узлу B, а узел B не может передавать узлу A. • Почему ассиметричные линки становяться проблемой? • Узел A думает, что B его сосед и посылает ему пакет, но никогда не получает ACK. • Существование ассиметрии требует идентификации узлов как «хороших» соседей. • Откуда появляются ассиметричные каналы? • Законы физики не позволяют этого. Все эффекты в каналах связи симметричны: потери распространения, затенения, многолучевое распространение.

20. Эффекты в беспроводных каналах связиLink Asymmetry Kotz et al

21. Эффекты в беспроводных каналах связиLink Asymmetry Преобладающее количество ассиметричных каналов находятся в переходной зоне Ganesan et al

22. Эффекты в беспроводных каналах связиLink Asymmetry • При смене местами узлов, ассиметричные каналы инвертировались. • Ассиметричность вызвана неточностями в калибровке «железа» и не связана с условиями окружающей среды.

23. Эффекты в беспроводных каналах связиTemporal variability Cerpa et. al. 03

24. Эффекты в беспроводных каналах связиTemporal variability Node 2, RSSI Node 1 , RSSI

25. Эффекты в беспроводных каналах связиTemporal variability Node 2, Temperature Node 2, RSSI

26. Эффекты в беспроводных каналах связи • Разные узлы имеют разные передаваемые мощности из-за: • Разного уровня заряда батарей. • Разной калибровки «железа» Один узел с различным уровнем заряда батарей Разные узлы с одним уровнем заряда батарей Zhou et al

27. Эффекты в беспроводных каналах связиConcurrent Packet Transmissions Dongjin Son,Bhaskar Krishnamachari,John Heidemann ,” Experimental Analysis of Concurrent Packet Transmissions in Low-PowerWireless Networks”

28. Эффекты в беспроводных каналах связиCapture Effect Мощность передатчика SRC2 фиксирована на -4dBm. PRR RSSI

29. Эффекты в беспроводных каналах связиCapture Effect Принимаются пакеты от 2-го передатчика Принимаются пакеты от 1-го передатчика Все пакеты потеряны

30. Эффекты в беспроводных каналах связиCapture Effect

31. Эффекты в беспроводных каналах связиCapture Effect • Зависит от устройства приемника • Может быть использован для обнаружения коллизий *Exploiting The Capture Effect For Collision Detection And Recovery. Whitehouse,Woo,Jiang,Polastre,Culler

32. Влияние эффектов беспроводного канала связи на протоколы верхних уровней.

33. Влияние на протоколы верхних уровнейAsymmetric Links • Многие приложения используют флудиг и передачу по обратному пути (reverse path forwarding (RPF)). • Flooding + RPF = Беда • Flooding полагается на длинные линки, чтобы передавать информацию как можно быстрее. • Длинные линки часто ассиметричны, так как лежат в переходной зоне. • RPF не может передать информацию. • Пример длинных линков + асимметрии оказывает негативное влияние на протоколы верхних уровней.

34. Влияние на протоколы верхних уровней Asymmetric Links • Подход 1: Избежание асимметричных каналов. • Идея: Запретить асимметричные каналы и удалить их из таблиц соседей. • Достоинства: Эффективно в плотных сетях, где существует много двунаправленных каналов. • Недостатки: Система может потерять некоторые «хорошие» каналы. • Подход 2: Использование асимметричных каналов. • Идея: Асимметричные каналы часто длинные и могут достигать дальних узлов. Можно сократить число хопов. • Достоинства: Использование таких каналов позволяет сократить число хопов, повысить пропускную способность, уменьшить задержки. • Недостатки: Невозможно использование обратной связи.

35. Влияние на протоколы верхних уровнейРазмер пакета • PRR зависит не только от расстояния и окружающих условий, но и от используемой схемы коррекции ошибок. • Небольшие пакеты менее подвержены ошибкам. • Меньше бит в пакете -> меньше вероятность ошибки пакета. • Влияние: • Узлы использующие короткие пакеты, не могут точно определить PRR при использовании более длинных пакетов. • Использование коротких пакетов, для увеличения дальности передачи. Например, контрольные пакеты короткие и имеют бльшую вероятность правильного приема.

36. Влияние на протоколы верхних уровнейНеизотропность радио покрытия Влияние на MAC уровень

37. Влияние на протоколы верхних уровнейНеизотропность радио покрытия Влияние на MAC уровень Влияние DOI фактора Влияние VSP фактора

38. Влияние на протоколы верхних уровнейНеизотропность радио покрытия Влияние на сетевойуровень Влияние DOI фактора Влияние VSP фактора

39. Влияние на протоколы верхних уровнейНеизотропность радио покрытия Влияние на сетевойуровень Влияние DOI фактора Влияние VSP фактора

40. Влияние на протоколы верхних уровнейНеизотропность радио покрытия Влияние на сетевойуровень Влияние DOI фактора Влияние VSP фактора

41. Моделирование беспроводных каналов связи

42. Моделирование Основная метрика это Packet Reception Rate (PRR) Ganesan et. al. "Complex Behavior at Scale: An Experimental Study of Low-Power Wireless Sensor Networks,“UCLA CS Technical Report UCLA/CSD-TR 02-0013, 2002.

43. Моделирование • Степень не изотропности (DOI). • Определение: Максимальный процент вариации потерь распространения на единицу градуса направления распространения. • Необходимо для учета неизотропности потерь распространения. • Вариация передаваемой мощности (VSP). • Максимальный процент вариации передаваемой мощности среди различных узлов. • Необходимо для учета различия в калибровке. Gang Zhou, Tian He, Sunda Krishnamurthy, John A. Stankovic, “Impact of Radio Irregularity on Wireless Sensor Networks”..

44. Моделирование Signal receiving power = signal sending power - path loss + fading Signal receiving power = VSP adjusted signal sending power– DOI adjusted path loss + fading VSP adjusted signal sending power =signal sending power * (1 ±RandomNum*VSP) Where RandomNum Є Normal Distribution DOI adjusted path loss = path loss* KD K0 = 1 K3 = K2* (1± RandomNum * DOI) K2 = K1 * (1± RandomNum* DOI) K1 = K0 * (1± RandomNum* DOI) Where RandomNum Weibull Distribution

45. МоделированиеChannel Models • Модель свободного пространства. • Самая простая. • Редко используется • Модель однократного отражения от земли. • Учитывает влияние поверхности земли. • Логарифмическая модельс затенениями (Log-normalshadowing model) • Эмпирическая модель. • Наиболее распространенная. • Модель на основе пароболического уравнения. • Достаточно точная. • Вычислительно сложная. • Статистические модели.

46. МоделированиеChannel & Radio Models α = Eb/N0

47. МоделированиеTransition region • Характеризуется: • Асимметричные каналы • Сильная нестабильность в пространстве/времени. • Высокая чувствительность к «железу». Marco Zuniga and Bhaskar Krishnamachari, Analyzing the Transitional Region in Low Power Wireless Links

48. МоделированиеTransition region SNR PRR

49. МоделированиеTransition region TR coefficient (Γ) = width transitional region / width of connected region • Наблюдения: • Γ заивисит в основном от η и σ • Выходная мощность не влияет на коэффициент Γ • Размер фрейма и тип кодирования не оказывают сильное влияние на Г.

50. МоделированиеTransition region