Topology Control. Coverage. Localization. Time Synchronization.

1. 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

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

3. 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?

4. 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)

5. Случайное размещение узлов

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Topology Control Фазовый переход в связности

10. Guest SpeakerКонстантин Мишагин

11. 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.

12. 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.

13. Topology Control • Основная идея. • Найти набор узлов из kузлов, 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

14. ASCENT: Adaptive Self-Configuring sEnsor Networks Topologies.Alberto Cerpa and Deborah EstrinUCLAhttp://lecs.cs.ucla.edu/Publications/papers/ASCENT-Infocom-2002.ps

15. ASCENT: Adaptive Self-Configuring sEnsor 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.

16. ASCENT: Adaptive Self-Configuring sEnsor 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.

17. ASCENT: Adaptive Self-Configuring sEnsor 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)

18. ASCENT: Adaptive Self-Configuring sEnsor Networks Topologies

19. ASCENT: Adaptive Self-Configuring sEnsor 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 (N-число 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.

20. ASCENT: Adaptive Self-Configuring sEnsor Networks Topologies

21. ASCENT: Adaptive Self-Configuring sEnsor 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.

22. Структурное размещение и зона покрытия

23. 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.

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

25. Структурное размещение и зона покрытияКруговая модель • Событие может быть зарегистрировано только в пределах радиуса Rот 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).

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

27. 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.

28. Структурное размещение и зона покрытияVoronoi 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.

29. 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.

30. Структурное размещение и зона покрытия

31. Localization

32. 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

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

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

35. 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.

36. LocalizationRSSI • Сигнал затухает линейно с логарифмом расстояния • S=S0 + n*log (d) • di=sqrt ((xi – x0)2 + (yi – y0)2) • Используя триангуляцию, находим координаты точки. • Но в реальной жизни все гораздо сложнее! • шум, многолучевой распространение, отражения и пр.

37. LocalizationAcoustic / UltraSound Acoustic Mote UCB/UCLA UCLA NESL MK-II Ultrasound Localization MIT Cricket Project Ultrasound Localization

38. LocalizationAcoustic / UltraSound • Достоинства. • Невысокая скорость распространения сигнала – легкое измерение времени распространения (ToF) • 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.

39. LocalizationAcoustic / UltraSound • 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.

40. LocalizationAcoustic / UltraSound • Ошибка определения зависит от расстояния и угла приема.

41. LocalizationОпределение направления • Система с несколькими акустическими каналами приема. • Разница времен прихода сигнала по разным каналам определяет угол приема сигнала.

42. LocalizationРасположение маяков • Какие три маяка дадут наименьшую ошибку ?

43. LocalizationРасположение маяков Хорошое расположение маяков

44. LocalizationРасположение маяков Плохое расположение маяков

45. LocalizationРасположение маяков Важно не расстояние, а угол под которыми расположены маяки.

46. Временная синхронизация

47. 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 1см использую разницу прихода акустического сигнала. • Необходимая точность 1мс. • Duty-Cycling • Точная информация о времени перехода соседних узлов в спящий режим и обратно. • Необходимая точность 1 мкс.

48. Временная синхронизация

49. 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).

50. 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.