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Phero -Trail: A Bio-Inspired Location Service for Mobile Underwater Sensor Networks

Phero -Trail: A Bio-Inspired Location Service for Mobile Underwater Sensor Networks. 指導教授：郭文興 學生：黃仁襄. Luiz Filipe M. Vieira, Member, IEEE, Uichin Lee, Member, IEEE, and Mario Gerla , Fellow, IEEE. Abstract. SEA Swarm(Sensor Equipped Aquatic Swarm) 是水裡移動的感應器群集，可 4D 的監控水底下的情況。

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Phero -Trail: A Bio-Inspired Location Service for Mobile Underwater Sensor Networks

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  1. Phero-Trail: A Bio-Inspired Location Service for Mobile Underwater Sensor Networks 指導教授：郭文興 學生：黃仁襄 Luiz Filipe M. Vieira, Member, IEEE, Uichin Lee, Member, IEEE, and Mario Gerla, Fellow, IEEE

  2. Abstract • SEASwarm(Sensor Equipped Aquatic Swarm)是水裡移動的感應器群集，可4D的監控水底下的情況。 • 為即時提醒，經由地理路線來移動感應器是最有效的移動。 • 本篇目的是在SEA Swarm上設計定位服務。 • Ad hoc網路的定位協定不適用在這裡，因為整群都會隨水流移動。 • 發現在2D下維持位置訊息是較好的選擇，因此我們提出Phero-Trail location serviceprotocol。

  3. Outline • I. INTRODUCTION • II. SEA SWARM APPLICATION SCENARIO • III. PROTOCOL DESIGN SPACE ANALYSIS • IV. PHERO-TRAIL LOCATION SERVICE • A. Protocol Design Assumptions • B. Phero-Trail Protocol Operations • C. Phero-Trail Analysis • V. SIMULATIONS • VI. RELATED WORK • VII. CONCLUSION AND FUTURE WORK • REFERENCES

  4. INTRODUCTION • 我們假設大量的水中感應器空投至關心的地點，來製造SEASwarm。[32] • [32]：感應器的散佈和無預測的交流 • 每節點裝有低頻帶聲波調節器，用來控制深度。 • 每感應器監控局部水中活動，並即時利用多跳路線回報關鍵訊息給資料收集中心。 • 如浮標或Autonomous Underwater Vehicles(AUVs)。 • 假設它們在能源、儲存、通訊和移動上性能較好。 • 裝有GPS可用來定位，也裝有無線通訊裝置。

  5. INTRODUCTION • SEASwarm架構有幾個優點： • 感應器提供4D(空間和時間)監控。 • 許多感應器提供額外的冗餘和間隔控制。 • 因為可控制深度，漂浮的感應器使系統增加可複用性 • 由於高頻的“radio”會被水吸收，水中網路要依賴聲波通道，但頻帶低傳送延遲大，且消耗能源多。 • 因此在設計上，最小化傳送的封包數是重要的準則。 • 提出感應器經由3D地理路線回報情況給接收器，而封包是用貪婪法傳給最接近目標的節點。 • 如沒有比本身更靠近目標的節點的情況，稱“void region”或“hole”。

  6. INTRODUCTION • 地理路線是局部性的，不需去發現和維持。 • 本篇目標是設計高效、可擴展性和強大的SEASwarm定位服務。 • 通常定位服務協定維持一節點集合(也稱quorum set)的定位服務。 • 如何維持quorumset是設計的關鍵。 • 在SEA Swarm，採納了層級方案如GLS[34]、HIGH-GRADE[45]和MLS[14]，因為它隨水流動作。

  7. INTRODUCTION • 本篇提出生物靈感的定位服務稱，Phero-Trail定位服務協定。 • 利用SEASwarm2D拓墣上方的船殼(hull)來儲存位置訊息。 • 感應器的軌道(費洛蒙痕跡)來指出位置。 • 感應器將位置投射在2D上方的hull，連續的投射就像費洛蒙痕跡一樣。 • 而痕跡的長度由設定到其時間來控制。

  8. INTRODUCTION • 節點垂直地發出尋找封包給hull，在hull的節點開始擴展曲線(或隨機遊走)尋找痕跡。 • 封包隨著痕跡路線到達目標當前位置。 • 本篇，我們分析位置更新的效能，維護、取得和儲存的overhead和有效性。

  9. SEA SWARM APPLICATIONSCENARIO • SEASwarm平等分佈在(L*L)m2，深度範圍為D1~D2的3D區域裡。 • Swarm隨水流移動，來尋找擱淺的潛艇或偵查侵入者。 • 在Swarm中，有一些AUVs來幫忙調查警告的情況。 • 如：無人駕駛的潛艇 • 當感應器偵查到情況，便照路線傳送警告給潛艇。 • 移動接收器為了從移動感應器接收資料，ad hoc路由協定是必要的。

  10. SEA SWARM APPLICATIONSCENARIO • 一旦感應器得到目標位置，當與接受器通訊時，便可交換位置更新。 • 我們假設節點可利用現存定位技術來定位出位置。 • 節點也可從其他節點得知自身位置，來最小化能源的消耗。

  11. PROTOCOL DESIGN SPACEANALYSIS • 設N個節點在(L*L*D)m3的立方體裡，節點通訊範圍為R。為了分析，假設D = L。 • M為穿越Swarm水平寬度的的hop數，即M=L/R。 • 我們考慮下列定位服務協定： • Na¨ıve flooding：節點定時的向整個網路發佈當前位置。 • Quorum-based schemes：每節點位置更新會發送給子集的節點，每節點位置查詢也會發送給子集的節點。 當兩個子集的交集不為空的時，查詢才會被解決。

  12. PROTOCOL DESIGN SPACEANALYSIS

  13. PROTOCOL DESIGN SPACEANALYSIS • Hierarchical schemes： 設最低層格子大小為R*R，第i層為2i-1R*2i-1R 設H為最高層，則L=2H-1R。

  14. PROTOCOL DESIGN SPACEANALYSIS • 定位服務協定分析：我們分析更新及查詢的漸近的通訊成本，指的是訊息數量。 • 效能的報告是漸近於M和H的函數。 • 假設n個節點分佈在單位立方體裡， 以確保連通性[19]。 • [19]：介紹無線網路的效能 • 3D環境下，Na¨ıve flooding更新成本Θ(M3)，查詢成本Θ(1)。 • quorum-based schemes更新成本Θ(M2)，查詢成本Θ(M)。

  15. PROTOCOL DESIGN SPACEANALYSIS • 在層級方案中，要先找到地裡散列的參考點，且傳送此訊息給全部節點。 • 當節點移動，覆蓋區域和參考點都會改變。 • 為使用地裡散列，整個Swarm須定時的找參考點，為維持參考點，就要花費很高的成本。 • 找參考點的方法：每節點廣播它的位置給鄰居，之後收到鄰居們的資訊時，在廣播出最小配合性的。 • 重覆此步驟，節點可找到參考點在Θ(M3)次步驟後。 • 每節點都參與更新，總成本上限為O(nM3)。

  16. PROTOCOL DESIGN SPACEANALYSIS • 設定參考點之後，就可以形成層級樹。 • 更新成本可計算如下： 查詢成本為Θ(M)

  17. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEA. Protocol Design Assumptions • 移動節點特性：潛艇以一定速度巡邏，且隨機方向移動。 • 準確來說，一開始挑選方向，之後照此方向沿著地理最短路徑往目的地移動。 • SEASwarm上方的hull：固定一任意深度不能保證會隨時會有感應器在那。 • 挑選一些節點在上方的hull，做深度門檻。

  18. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEB. Phero-Trail Protocol Operations • Upper Hull Maintenance • Location Update • Trail Maintenance • Location Query

  19. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEB. Phero-Trail Protocol Operations Upper Hull Maintenance： • 在費洛蒙痕跡，部署在表面的移動節點成了定位服務器。 • 我們也用位在深度D1~DH之間的節點當定位服務器(DH<D2)。 • 一旦獲得深度資訊，移動感應器檢查是否在此範圍內，且設定節點狀態。

  20. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEB. Phero-Trail Protocol Operations Location Update：

  21. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEB. Phero-Trail Protocol Operations • 當移動時，AUVs藉由發送費洛蒙封包給上方hull的感應節點，來留下費洛蒙。 • 封包有唯一的序列號和當前潛艇位置與方向。 • 封包有2步驟發送：(1)垂直發送給上方的hull (2)2D地理發送給柱面區域 • 步驟1：封包垂直地發送到上方的hull，深度資訊只用來做貪婪發送。 • 步驟2：發送投射的x.y座標。

  22. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEB. Phero-Trail Protocol Operations

  23. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEB. Phero-Trail Protocol Operations • 深度DH-D1 • 假如訊號傳送不能覆蓋所有柱面的節點，封包要重新廣播(沿垂直方向)。

  24. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEB. Phero-Trail Protocol Operations • 當封包垂直地傳送，可能到達一節點，它深度都比以鄰居來的低，也就無法有任何進展。 • 假如它在hull之下，可利用Flury’s 方法[15]：隨機遊走來脫離無效區域，一直重複直到到達上方的hull。 • 假設有無效的在上方的hull，我們便不能儲存此費洛蒙封包。

  25. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEB. Phero-Trail Protocol Operations Trail Maintenance： • 根據移動接收器的速度來設定痕跡的長度。 • 隨時間過去，痕跡可能分散或不連續。 • 為防止此情況，痕跡上的節點週期性的廣播心跳封包給鄰居，間隔根據感應器的平均速度而定。 • 當痕跡節點共享同封包序列號，k無意聽到心跳訊息，而這封包序列號<k。

  26. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEB. Phero-Trail Protocol Operations

  27. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEB. Phero-Trail Protocol Operations Location Query： • 移動節點首先垂直地發出查詢封包到上方的hull。 • 再來做擴展的螺旋曲線尋找，由一個hop(k=1)開始。 • 假設找不到痕跡，hop限度會指數性的擴展，步驟k，h = 2k。 • 假如找到痕跡，節點首先計算與接收器的距離。 • 如果穿越痕跡成本大於額外的曲線尋找，則節點增加hop在尋找一次。 • 否則，沿痕跡發送封包給目的地座標。

  28. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEB. Phero-Trail Protocol Operations • 當穿越痕跡時，假設有部分痕跡相交，可以走捷徑。 • 一個替代螺旋曲線尋找的方案是隨機遊走尋找。

  29. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEC. Phero-Trail Analysis • Location update：更新成本O(M) 時間間隔為T=R/vsink 每秒更新成本Θ(1/T) = Θ(vsink/R) • Maintenance：每間隔感應器移動Θ(vsensorT ) 每次更新，節點會跑出投影點範圍 Θ(vsensorT /R)次。 對每hop，每秒維護成本Θ(vsensor/R) 每秒維護總成本Θ(vsensorM/R)。

  30. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEC. Phero-Trail Analysis • Query：增加尋找大小，最差情況為(k=H)， 因此尋找成本為O(M)，隨機遊走為Θ(M)。 • Storage：儲存overhead與痕跡長度成比例，即μ2H， 為強健痕跡保持寬度為wR 痕跡大小為μ2H2wR，節點密度為ρ 成本為μ2H2wRρ=Θ(2H)=Θ(M) • Query frequency：查詢頻率是成本的一重要指標。

  31. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEC. Phero-Trail Analysis • 設每更新有Q比例產生查詢。 • 協定運作總成本為經過TL次單位時間，即TL*T。 • 總成本在2Dhull flooding下為更新和查詢成本相加 • 在Phero-Trail下為更新、維護和查詢成本相加。 • 可得出結論為，在Q=Ω(1/M)下，Phero-Trail是最佳的情況。

  32. PHERO-TRAIL LOCATIONSERVICEC. Phero-Trail Analysis • 也可分析節點速度對查詢成本的影響。 • 由於Cflood ≦ Cphero， 即 • 移項之後得， • 由此得知，當潛艇穿越20次網路直徑，至少產生一次查詢時，Phero-Trail會優於2Dhullflooding方法。

  33. SIMULATIONS • 使用QualNet3.9.5 • 通訊範圍50m，模擬時間3000秒 • 接收器速度10m/s，每5s更新一次。

  34. SIMULATIONS

  35. SIMULATIONS

  36. SIMULATIONS

  37. SIMULATIONS

  38. SIMULATIONS

  39. RELATED WORK • 定位服務可分為兩方面，flooding-based和rendezvous-based。 • Flooding-based有主動及被動。 • DREAM[5]，LAR[30] • [16]、[20]提到Quorum-based方法。 • GHT[37]提到hashing-based協定。 • GLS[34]、HIGH-GRADE[45]和MLS[14]則提到層級的hashing-based方法。 • EASE[18]、FRESH[11]是基於intermediate方法提出的。

  40. RELATED WORK • 生物啟發網路系統：生物如何有效的組織且適應動態的改變，並採納此想法在分散式的計算上。 • 生物啟發技術嵌入網路系統的益處[10]。 • 一些基於ACO的協定，AntNet[6]、ARA[35]、PERA[26]、AntHocNet[7]。 • Phero-Trail下，儲存位置資訊在生物變數裡形成費洛蒙痕跡，因此支援有效的位置更新及查詢。

  41. CONCLUSION AND FUTURE WORK • 在本篇，研究在SEA Swarm裡使地理路由可提供定位服務。 • 維持位置訊息在2D平面是較好的選擇。 • 提出新的生物靈感的定位服務，稱Phero-Trail定位服務協定。 • 在未來幾個有趣的方向，將SEASwarm網路做分區技術。 • 移動預測方法可減少維持參考點的overhead。 • 最後，利用了上方的hull，一些問題都可被減緩。

  42. REFERENCES

  43. REFERENCES

  44. REFERENCES

  45. REFERENCES

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