be i ne s enzorske m re e n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Be ž i č ne S enzorske M re ž e PowerPoint Presentation
Download Presentation
Be ž i č ne S enzorske M re ž e

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 27

Be ž i č ne S enzorske M re ž e - PowerPoint PPT Presentation


  • 100 Views
  • Uploaded on

Be ž i č ne S enzorske M re ž e. Uvod u senzorske mreže. Mario Č agalj mario.cagalj@fesb.hr FESB Sveu čili šte u Splitu 11 / 03 /2011. Bazirano na “Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks”, Holger Karl , 2005. Motivacija.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Be ž i č ne S enzorske M re ž e' - paula-burton


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
be i ne s enzorske m re e
Bežične Senzorske Mreže

Uvod u senzorske mreže

Mario Čagalj

mario.cagalj@fesb.hr

FESB

Sveučilište uSplitu

11/03/2011.

Bazirano na “Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks”, Holger Karl, 2005.

motivacija
Motivacija
  • Klasične bežične mreže bazirane su na “teškoj” infrastrukturi
    • Mobilni uređaji se spajaju bežičnim putem preko baznih stanica (GSM) i pristupnih točaka (WiFi, WLAN) na (žičani) internet
    • Uspostavljanje klasičnih mreža je potencijalno dugotrajan i skup proces (zahtjeva dosta planiranja)

IP Backbone

(routing infrastructure)

motivacija1
Motivacija
  • Što možemo napraviti ukoliko infrastruktura nije dostupna
    • U slučaju nekakve katastrofe u nepristupačnom području (npr. Kornatska tragedija)
    • Infrastruktura je skupa (neisplativa za investitora – ruralni krajevi, slabo naseljni otoci)
    • Postoji vremensko ograničenje (spasilačka akcija, vojna akcija, vatrogasna intervencija)
ad hoc be i ne mre e
“Ad Hoc” Bežične Mreže

Internet

  • Mreže koje ne koriste “tešku” infrastrukturu
    • Ad hoc na latinskom znači “za ovu svrhu”
    • Decentralizirana (bez infrastrukture) bežična mreža uspostvaljena za neku specifičnu svrhu
    • Svaki mobilni/statični uređaj može prosljeđivati promet za druge mrežne uređaje
    • Generalno, svi uređaji rade sve (nema specijaliziranih uređaja kao što su routeri, pristupne točake, bazne stanice)
  • Primjer iz WiFi mreža

Centraliziran(infrastructure)način rada

Ad hocnačin rada

primjene ad hoc be i nih mre a
Primjene ad hoc bežičnih mreža
  • Oporavak od katastrofa
  • Komunikacija između vozila (car2car)
  • Povezivanje vojnih objekata i ljudi: tenkovi, vojnici, …
  • Traženje slobodnog parkirnog mjesta (bez kontakta sa centralnim serverom)
  • Potraga i spašavanje u slučaju odrona i lavina
  • Personal Area Networks (PAN) (satovi, medicinskiuređaji)
izazovi kod ad hoc mre a
Izazovi kod ad hoc mreža
  • Bez centralizirane infrastrukture organizacija protoka podataka i same mreže postaje puno zahtjevnija
  • Kod ad hoc mreža javljaju se sljedeći problemi
    • Organizacija mreže bez centralnog entiteta
    • Ograničen komuninikacijski (radio) domet (nepostojanje “snažnih” baznih stanica)
    • Mobilnost mrežnih urežaja
    • Uređaji se napajaju putem baterija
decentralizirana samoorganizirana mre a
Decentralizirana samoorganizirana mreža
  • Bez centralnog entiteta (npr. bazne stanice, pristupne točke), mrežni uređaji moraju se sami organizirati u funkcionalnu mrežu
    • Koncept samoorganizacije (self-organization)
  • Samoorganizacija se odnosi između ostalog na:
    • Pristup zajedničkom kanalu (Medium Access Control) – ne postoji bazna stanica koja bi regulirala pristup dijeljenom kanalu (ovo se radi na distribuirani način)
    • Usmjeravanje prometa (paketa) kroz mrežu (pronalaženje optimalnih ruta između različitih uređaja u mreži)
ograni en komunikacijski domet
Ograničen komunikacijski domet
  • U mnogim scenarijima nužna je komunikacija sa udaljenim uređajima (sa uređajima koji se nalaze van komunikacijskog dometa)
    • Direktna komunikacija nije moguća zbog udaljenosti, prepreka, i dr.
    • Rješenje: multi-hop umrežavanje (multi-hop networking)

?

mobilnost mre e
Mobilnost mreže
  • U mnogim scenarijima sa ad hoc mrežama, korisnici mreže su u pokretu
    • Kod celularnih mreža ovaj problem je rješen handoverom, gdje “najbliža” bazna stanica preuzima korisnika
  • U mobilnim ad hoc mrežama (Mobile Ad hoc NETworks - MANETs)
    • Mobilnost mjenja odnose između susjeda (dani uređaj gubi “stare” susjede a “dobiva” nove)
    • Stoga se rute izmeđe pojedinih uređaja mjenjaju (potrebni adaptivni protokoli)
  • Stvari se dodatno kompliciraju veličinom mreže
    • Teško je efikasno podržati komunikaciju (bez infrastrukture) u velikim mobilnim mrežama
mre ni ure aji su baterijski napajani
Mrežni uređaji su baterijski napajani
  • Uređaji u ad hoc mrežama se često napajaju putem baterija
  • Cilj je ostvariti dug vijek
    • Individulanih mrežnih uređaja
    • Kao i mreže u cjelini
  • Potreba za “štedljivim” (energy-efficient)mrežnim protokolima
    • Koristi multi-hop komunikaciju (umjesto direktne komunikacije preko velikih distanci, Prdβ > Prd1β+ Prd2β)
    • Uzeti u obzir preostalu energiju baterija pri donošenju odluka o komunikaciji
be i ne senzorske mre e
Bežične senzorske mreže
  • Wireless Sensor Network (WSN) spada u kategoriju ad hoc mreža
  • U prethodnim primjerima uređaji ljudi su imali interakciju sa mrežnim uređajima dok kod WSN imamo potpuno drugačiji koncept
  • Kod WSNs fokus je interakcija sa čovjekovim okruženjem, a ne sa samim čovjekom
    • WSN je integrirana (embedded) u čovjekovo okruženje
    • Senzorski uređaji (čvorovi, sensor nodes) su opremljenisa “osjetilima” (senzorima) i aktuatorima koji mogu mjeriti odnosno utjecati na stanje okruženja
    • Senzorski nodovi procesiraju informaciju i komuniciraju je bežičnim putem
be i na senzorska mre a
Bežična senzorska mreža
  • Individualno, senzorski uređaji imaju vrlo ograničene resurse
    • 8-bit 4MHz CPU, 4K RAM, 19.2 Kbps (brzina slanja podataka)
  • “Snaga” senzorskih mreža proizlazi iz velikog broja senzorskih jedinicakojem međusobno “surađuju” (slično kolonijama mrava)
primjene be i nih senzorskih mre a
Primjene bežičnih senzorskih mreža
  • Oporavak u slučaju katastrofa
    • Izbaci senzorske čvorove iz aviona preko područja zahvaćenog požarom
    • Svaki čvor mjeri temperaturu
    • Može se izvesti “temperaturna mapa” za dano područje
  • Nadzor i motrenje životinjskih vrsta
    • Koristi senzore za motrenje životinjskog svijeta (ZebraNet – Princeton)
  • Inteligentne zgrade i mostovi
    • Smanjenje potrošnje energije
    • Određivanje zauzetosti prostorija, kontrola životnih uvjeta (temperatura, vlaga, kvaliteta zraka)
    • Kontinuirani nadzor mehaničkih naprezanja (posebice u tijeku ili nakon potresa)
primjene be i nih senzorskih mre a1
Primjene bežičnih senzorskih mreža
  • Upravljanje i nadzor industrijskih objekata
    • Detekcija provala u industrijska postrojenja
    • Kontrola curenja kemaikalija,...
  • Nadzor i preventivno održavanje strojeva
    • Ugradi senzore i aktuatore na mjesta koja nistu dostupna putem kabela
    • Kontrola pritiska u točkovima
  • Poljoprivreda
    • Određivanje mikro-klimatskih uvjeta
    • Kada i gdje koristiti umjetna gnojiva
  • Medicina i zdrastvena njega
    • Post-operativna njega (FESB i Ericsson)
    • Nadzor starijih osoba i pacijenata
primjene be i nih senzorskih mre a2
Primjene bežičnih senzorskih mreža
  • Logistika
    • Opremi dobra (“kontejner”) sa senzorskim čvorom
    • Prati kretanje i stanje robe u svakom trenutku
  • Inteligentne prometnice
    • Bolja kontrola prometa na osnovu informacija o prometu i stanju prometnica dobivenim putem senzorske mreže conditions
    • Automobili kao senzorski uređaji
osnovne uloge be i nih senzorskih vorova
Osnovne uloge bežičnih senzorskih čvorova
  • Izvorište podataka (data source): Mjeri neke vrijednosti i šalje ih obrađene ili u izvornom obliku nekom odredištu
    • Tipično je opremljen različitom vrstom “osjetila” (detektora)
  • Odredište podataka (data sink): Očekuje i prima podatke iz bežične senzorske mreže (WSN)
    • Može biti dio mreže ili vanjski element (PDA, bazna stanica)
  • Aktuatori: Upravljaju nekakvim uređajem na osnovu podataka (obično se radi o“snik”-u)
tipovi aplikacija wsn s
Tipovi aplikacija WSNs
  • Tipovi aplikacija kod WSNs su određeni obrascima interakcija između izvorišta i odredišta podataka
    • Detekcija događaja: Senzorski čvorovi lokalno detektiraju događaje (u suradnji sa susjednim nodovima), te šalju izvještaje o tim događajima zainteresiranim (“pretplaćenim”) odredištima
    • Periodička mjerenja
    • Aproksimacija funkcije:Upotreba senzorske mreže za aproksimaciju funkcije koja je ovisna o prostoru i vremenu (npr. izrada temperaturne mape)
    • Detekcija ruba:Detektiraj (pronađi) rubove (odnosno strukturu) kod aproksimiranih funkcija (npr., pronađi graničnu liniju gdje je temperatura jednaka 0°C)
    • Praćenje:Izvjesti odnosno prati poziciju detektiranog “uljeza” (objekta, osobe, životinje, vozila)
kako postaviti senzorsku mre u
Kako postaviti senzorsku mrežu?
  • Postoji nekoliko alternativa za postavljanje senzorskih čvorova u željeno okruženje
    • Bacanjem iz zrakoplova->Slučajno postavljanje (random deployment)
      • Obično se pretpostvalja da su senzori rapoređeni po uniformnoj slučajnoj distribuciji na nekom ograničenom području
      • Koliko je realistična ova pretpostavka?
kako postaviti senzorsku mre u1
Kako postaviti senzorsku mrežu?
  • Postoji nekoliko alternativa za postavljanje senzorskih čvorova u željeno okruženje
    • Unaprijed planirano (regularno) postavljanje->Planirano postavljanje (regular deployment)
      • Nije nužno da senzori prate nekakvu regularnu geometriju (geometrija može biti određena raznim zahtjevima)
      • Realistična opcija kod “malih” i “skupih” senzorskih mreža
kako postaviti senzorsku mre u2
Kako postaviti senzorsku mrežu?

C

C

C

Gateway

  • Postoji nekoliko alternativa za postavljanje senzorskih čvorova u željeno okruženje
    • Mobilni senzorski čvorovi
      • Mogu kompezirati eventualne nedostatke kod drugih načina postavljanja (osigurati povezanost mreže gdje je nema, smanjiti zahtjeve na potrošnju energije)
      • Senzori se mogu pasivno micati kroz neko područje tako da se pokreću nekom vanjskom silom (sjećate li se filma Twister?)
      • Napredniji senzori mogu aktivno tražiti zanimljiva područja

Figures by Karl-Erik Årzén, Dan Henriksson, Anton Cervin et al.

odr avanje senzorske mre e
Održavanje senzorske mreže
  • Je li uopće moguće održavati senzorske čvorove? Je li to upoće praktično?
    • Npr., da li mjenjati baterije? (što je sa velikim mrežama – 1000 senzorskih čvorova)
    • Trend je da senzorske mreže rade autonomno, bez nadzora
    • Ovo se posebno odnosi na one ad hoc misije (scenarije) – one koje traju kratko
  • Napajanje senzorskih čvorova?
    • Imamo ograničen izvor energije od trenutka postavljanja senzorske mreže
    • Je li moguć puniti baterije na senzorima (na jednostvanan način, bez intervencije čovjeka)
      • Npr., solarne ćelije
      • Thermoharvester-Driven Wireless Sensor Node (by Micropelt)

Micropelt’s built-in chip thermogenerator takes a few degrees of temperature differential and harvests that thermal energy to operate the wireless sensor node, enabling unlimited battery-free operation.

karakteristi ni zahtjevi wsns u odnosu na druge mre e
Karakteristični zahtjevi WSNsu odnosu na druge mreže
  • Tip usluge koju WSN pruža
    • WSN se ne koristi samo za prijenost “sirovih” bitova (kao Internet, WiFi, celularna mreža)
    • WSN daje “odgovore” ne samo brojeve
  • Kvaliteta usluge (Quality of Service - QoS)
    • Tradicionalne QoS metrike (propusnost – Mbps, kašnjenje i sl) nisu uvijek važne
    • Generalno, usluga koju pruža WSN mora biti “dobra”: “Right answers at the right time”
  • Tolerancija na greške (fault tolerance)
    • Senzorske mreže moraju biti robustne na moguće pogreške u mreži (neki čvorovi potroše svu energiju, slon pogazi određeni broj senzora)
    • Ovaj problem se kompezira velikim brojem jeftinih senzorskih jedinica (redundacija)
  • Vrijeme trajanja (života) senzorske mreže
    • WSN mora ispunjavati svoj cilj što duže vrijeme – koliko dugo ovisi o konkretnoj aplikaciji (namjeni)
    • Vrijeme trajanja mreže individualnih čvorova relativno je nebitno (stoga se mora paziti na sam dizajn mreže – “smrt” jednog senzora ne smije dovesti do “smrti” cijele mreže
karakteristi ni zahtjevi wsns u odnosu na druge mre e1
Karakteristični zahtjevi WSNsu odnosu na druge mreže
  • Skalabilnost (scalability)
    • WSN mora podržavati veliki broj senzorskih čvorova
  • WSN moraju raditi sa različitim gustoćama mreže
    • Veliki ili mali broj čvorova po jedinici prostora
    • Ovisno o primjeni
  • Programabilnost
    • Treba osigurati mogućnosti re-programiranja senzorskih čvorova u polju (bolji software, sigurnosni propust)
  • Održavanje
    • WSNsse moraju adaptirati na promjene (npr. gubitak određenog broja senzora iz mreže), moraju raditi self-monitoring
    • WSN mreža također mora imati mogućnost prihvaćati novo postvaljene senzorske čvorove (sigurnost)
kako ispuniti zahtjeve senzorskih vorova
Kako ispuniti zahtjeve senzorskih čvorova?
  • Multi-hop bežična komunikacija
  • “Energy-efficient”način rada
    • Ovo se odnosi na komunikaciju, procesiranje, detekciju i mjerenje, upravljanje drugim uređajima
  • Auto-konfiguracija
    • Manualna konfiguracija je samo alternativa
    • WSNs moraju raditi autonomno, bez nadzora
  • Suradnja i procesiranje u mreži(in-network processing)
    • Pojedinačni senzorski čvorovi su limitirani u procesorskoj snazi, detekcijskog snazi i komunikacijskoj snazi. Stoga je nužno da mrežni čvorovi surađuju u svrhu ostvarivanja zajedničkog cilja.
    • Pred-procesiranje prikpljnih podataka unutar mreže (umjesto na “sinkovima”)uvelike poboljšava efikasnost mreže
kako ispuniti zahtjeve senzorskih vorova1
Kako ispuniti zahtjeve senzorskih čvorova?
  • “Data-centric”umrežavanje
    • Kod dizajna mreže fokus se stvalja na podatak a ne na pojedinačne nodove (njihove adrese i identitete)
  • Fokus na lokalnu suradnju i rad
    • Napravi što vise posla lokalno (odnosno u suradnji sa susjedima)
    • Povećana efikasnost
  • Balansiraj između različitih zahtjeva
    • Npr., balansiraj uloženu energiju za dobivanje nekog podatka i preciznost tog podatka (manja preciznost znači manju potrošnju energije -> dulji život mreže)
    • Kako, što i u kojoj mjeri balanisrati ovisi o konkretnoj aplikaciji
zaklju ak
Zaključak
  • Ad hoc i bežične senzorske mreže predstavljaju veliki izazov ali imaju i veliki potencijal
  • Potrebne su nove arhitekture i protokoli u usporedbi sa tradicionalnim žičenim i bežičnim mrežama
  • Ove mreže su specifične po tome što su vezane uz odgovarajuće konkretne aplikacije (aplication-driven networks)
    • Za razliku od tradicionalnih mreža koje isključivo omogućavaju povezanost