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Titel. Bastian L. Blywis Synchronisation und Topologiemessung in Sensor-Netzwerken. Sensornetze. drahtlose Kommunikation kleine Ausmaße evtl. mobil mit verschiedensten Sensoren geringe Rechenleistung wenig Speicherplatz kostengünstig.

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  1. Titel Bastian L. Blywis Synchronisation und Topologiemessung in Sensor-Netzwerken

  2. Sensornetze • drahtlose Kommunikation • kleine Ausmaße • evtl. mobil • mit verschiedensten Sensoren • geringe Rechenleistung • wenig Speicherplatz • kostengünstig Quelle: Embedded Sensor Board ESB 430/1, www.scatterweb.com

  3. Aufgaben • Gebäudeüberwachung • erkennen von Waldbränden • Bergung von Lawinenopfern • detektieren von Gewässerverunreinigung • Bewegungstracking • Aufbau eines Netzes ohne feste Infrastruktur • Vernetztes Haus

  4. Probleme • begrenzte Energiequelle • unbekannte Anzahl →Skalierbarkeit • evtl. partitioniertes Netz • Komplexität der Aufgaben • gemeinsames Übertragungsmedium • keine zentrale Steuerungsinstanz

  5. Warum Synchronisation? • gleichzeitiges Aufwachen aller Geräte • Datensammlung • erkennen von Dubletten • Zeitmultiplex • Ausbreitungsrichtung feststellen • Quarzoszillatoren ungenau

  6. Reference Broadcast System Broadcast Domäne Referenzsender Quelle: Elson, Girod, Estrin. „Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcast“

  7. RBS: Routing Broadcast Domänen Gateway Quelle: Elson, Girod, Estrin. „Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcast“

  8. Zusammenfassung RBS • neuartiger Ansatz • eine einzige Referenz genügt minimal • wenig speicher- und rechenintensiv • kein nicht-determinismus des Empfängers • Synchronisation von Domänen • Routing möglich • Post-Facto Synchronisation möglich • je mehr Knoten, desto mehr Abweichung • je mehr Referenzpakete, desto Genauer Quelle: Elson, Girod, Estrin. „Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcast“

  9. tiny-sync • zwei mögliche Algorithmen • Wert eingrenzen • Austausch mehrerer Pakete • geringe Speicher- und Rechenanforderung Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“

  10. Abschätzung Abschätzung der Real-Zeit t durch: ti(t) = ait + bi Für zwei Knoten gilt: t1(t) = a1t + b1 t2(t) = a2t + b2 → t12(t) = a12t + b12 a: Stabilität des Oszillators b: Versatz zu Beginn Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“

  11. Zeitpunkte bestimmen K1 K2 tx message ty reply tz t t Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“

  12. Abschätzung der Parameter Datenpunkt 3 t/s tz3 tx3 Datenpunkt 2 tz2 tx2 Datenpunkt 1 tz1 tx1 a12 b12 t/s ty2 ty3 ty1 Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“

  13. mini-sync • viele Datenpunkte → bessere Abschätzung • begrenzter Speicherplatz → wenige Punkte speichern • Lösung 1: nur zwei Tripel speichern • Lösung 2: nur nützliche Werte Speichern Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“

  14. verwerfen von txi mit steigung(txi,txj) ≤ steigung(txj,txk) 1≤ i≤ j≤ k für tzi in ähnlicher Weise möglich Werte filtern Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“

  15. Zusammenfassung tiny- und mini-sync • zwei Möglichkeiten • je nach Speicher und CPU auswählbar • während des Betriebs umschaltbar • Experiment: tiny nur um 2% ungenauer Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“

  16. Römer • kein Zeitpunkt, sondern Intervall • Intervall wird beim routing durch Fehler größert • Voraussetzung 1: Stabilität pi bekannt • Voraussetzung 2: Austausch zweier Pakete Quelle: Römer. „Time Synchronization in Ad Hoc Networks“

  17. Austausch von zwei Paketen K1 K2 M1 t1 t2 M2 t3 t4 t5 t3 t t Quelle: Römer. „Time Synchronization in Ad Hoc Networks“

  18. erhalten: [tx,ty] transformiert: [t4-(t3-tx)(1+p2)/(1-p1)-(rtt-idle(1-p2)/(1+p1)), t4-(t3-ty)(1-p2)/(1+p1)] Intervall-Transformation Quelle: Römer. „Time Synchronization in Ad Hoc Networks“

  19. Zusammenfassung Römer • Intervall zur Abschätzung, Fehler ablesbar • Vorausetzung: mind. zwei Pakete • Vorausetzung: pi bekannt • idle gering halten • idle und rtt für jedes Paket bestimmt Quelle: Römer. „Time Synchronization in Ad Hoc Networks“

  20. Warum Topologiemessung? • routing in eine geographische Region • feststellen der Netztopologie • bestimmen des Aufenthaltsortes • Netzabdeckung testen

  21. Wodurch Topologiemessung? • Abstände zwischen je zwei Punkten bestimmen • abhängig von vorhandener Hardware • Funkwellen • Licht / Laser • Schall / Ultraschall

  22. Wie Topologiemessung? • inkrementieren der Sendestärke • Empfangsstärke bestimmen • Zeitunterschied • Verbindungen • Winkel

  23. Lateration • 2D: mind. drei nicht collineare Punkte • 3D: mind. vier nicht coplanare Punkte • aber: Bedingungen können aufgeweicht werden Quelle: Hightower, Borriello. „Location Sensing Techniques“

  24. Angulation • Abstand d bekannt • Winkel α und β messbar • festgelegter Vektor, z.B. Richtung Nordpol N N α d β Quelle: Hightower, Borriello. „Location Sensing Techniques“

  25. Verbindungen • Ankernetz vorhanden • Position der Anker bekannt • gleiche Sendereichweite • „range-free“ Quelle: Hightower, Borriello. „Location Sensing Techniques“

  26. Approximate Point-In-Triangulation Test K' K C B Quelle: He, Huang, Blum, Stankovic, Abdelzaher. „Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks“

  27. Grid SCAN 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 2 1 1 1 0 0 0 1 2 2 2 1 1 0 0 0 0 3 3 1 1 1 1 0 1 2 3 3 2 1 1 1 0 1 1 2 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 Quelle: He, Huang, Blum, Stankovic, Abdelzaher. „Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks“

  28. Self-Positioning Algorithm • finde alle Nachbarn Ni • bestimme Abstand zu allen Ni • sende diese Daten an alle Ni jeder Knoten N0 führt aus: Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“

  29. Local View Set N0 N1 d01 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“

  30. Local View Set N2 d02 d12 N0 N1 d01 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“

  31. Zwei Local View Sets N3 N2 d03 d34 d02 d12 N0 N1 N0 N4 d01 d04 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“

  32. Zwei Local View Sets zusammen N4 N2 N3 N0 N1 N3 N4 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“

  33. Zwei Local View Sets zusammen N2 N4 N0 N1 N3 N4 N3 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“

  34. Zwei Local View Sets zusammen N2 N4 N0 N1 N4 N3 N3 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“

  35. Zwei Local View Sets mit neuem Knoten N3 N2 N5 N0 N1 N4 N0 N5 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“

  36. Zwei Local View Sets vereint N2 N0 N1 N5 N4 N3 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“

  37. n-hop entfernte Nachbarn N2 N1 N0 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“

  38. Danke Bastian L. Blywis bastian@blywis.de WS2003/04 FU-Berlin, FB Informatik Ende

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