Ëåêöèÿ 5

Topology Control. Coverage.
Localization. Time Synchronization.
Сайт курса:
http://www.sumkino.com/wsn/course
Садков Александр
Аспирант РФ
[email protected]
http://www.wl.unn.ru
План
 Введение
 Контроль топологии сети (Topology Control)
 Зона покрытия (Sensing Coverage)
 Локализация (Localization)
 Временная синхронизация (Time Synchronization)
 Заключение
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?
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)
Случайное размещение узлов
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.
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.
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.
Topology Control
Фазовый переход в связности
Guest Speaker
Константин Мишагин
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.
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.
Topology Control
 Основная идея.
 Найти набор узлов из k узлов, 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
ASCENT: Adaptive Self-Configuring
sEnsor Networks Topologies.
Alberto Cerpa and Deborah Estrin
UCLA
http://lecs.cs.ucla.edu/Publications/papers/ASCENT-Infocom-2002.ps
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.
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.
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)
ASCENT: Adaptive Self-Configuring sEnsor
Networks Topologies
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 (Nчисло 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.
ASCENT: Adaptive Self-Configuring sEnsor
Networks Topologies
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.
Структурное размещение и зона
покрытия
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.
Структурное размещение и зона покрытия
Ограничения
 Зона покрытия.
 Область измерения должна быть покрыта сенсорами.
 Определенные точки покрытия.
 Постоянный мониторинг.
 Радиопокрытие.
 Необходимо создать связанную топологию.
 Характеристики области размещения.
Структурное размещение и зона покрытия
Круговая модель
 Событие может быть зарегистрировано только в
пределах радиуса R от 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).
Структурное размещение и зона покрытия
Угловая модель
 Каждый сенсор имеет ограниченную зону видимости
по углу.
 Камера, радар.
 Проблема покрытия: Как расположить и
ориентировать разные узлы, чтобы покрыть
определенный район.
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.
Структурное размещение и зона покрытия
Voronoi 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.
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.
Структурное размещение и зона покрытия
Localization
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
Localization
 Базовые принципы
 Проблемы локализации:
 Технологии: RSSI / Акустические / Ультразвуковые
 Оценка ориентации при использовании акустических
методов.
 Эффект Beacon Geometry на ошибки
 Распределенная multi-hop локализация
Localization
 Базовые станции рассылают свои координаты и посылают
опорный сигнал.
 PDA по опорному сигналу оценивает расстояние до каждой
базовой станции.
 Расстояние оценивается с ошибкой.
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.
Localization
RSSI
 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.
Localization
Acoustic / UltraSound
Acoustic Mote
UCB/UCLA
UCLA NESL MK-II
Ultrasound Localization
MIT Cricket Project
Ultrasound Localization
Localization
Acoustic / 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.
Localization
Acoustic / 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.
Localization
Acoustic / UltraSound
 Ошибка определения зависит от расстояния и угла
приема.
Localization
Определение направления
 Система с несколькими акустическими каналами приема.
 Разница времен прихода сигнала по разным каналам
определяет угол приема сигнала.
Localization
Расположение маяков
 Какие три маяка дадут наименьшую ошибку ?
Localization
Расположение маяков
Хорошое расположение маяков
Localization
Расположение маяков
Плохое расположение маяков
Localization
Расположение маяков
Важно не расстояние, а угол под которыми расположены маяки.
Временная синхронизация
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.
Временная синхронизация
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).
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.
Временная синхронизация
 Необходимая точность.
 Интернет приложения: 1 мс
 Сенсорные сети: 1 сек – 1 мкс
Ограниченные ресурсы:
 Интернет: Ресурсы не ограничены. Можно усреднять
ошибку используя передачу множества пакетов.
 Сенсорные сети: Энергия. Нужно использовать небольшое
количество пакетов.
 Источники неопределенности.
 Интернет: Высокие. Очереди в роутерах, загрузка сети,
различные скорости обработки на хостах и пр.
 Сенсорные сети: Низкие. В основном синхронизация в
пределах одного hop.
Временная синхронизация
Использование GPS
 Достоинства.
 Высокая точность: 10-100 нс.
 Надежность.
Недостатки:
 Не работает в помещениях, под водой и т.д.
 Если что-то произошло, восстановление занимает долгое
время (30 мин).
 Дорого.
 Энергетически затратно.
Временная синхронизация
Использование Сигналов Точного
времени
 Периодически посылает время
используя мощные передатчики.
 Недостатки:
 Специальный приемник.
 Невысокая точность (типичное
значение 0.5 сек).
 Частые сбои.
Временная синхронизация
Временная синхронизация
Ошибки измерения
Временная синхронизация
Ошибки измерения
Временная синхронизация
Синхронизация приемник-приемник
Основная идея: Использование стороннего передатчика, для
синхронизации приемников.
Временная синхронизация
Синхронизация приемник-передатчик
Временная синхронизация
Временная рассинхронизация
Временная синхронизация
Multi-hop synchronization
 Задача может быть
разделена на несколько
подзадач R-R и S-R
синхронизации.
 Комбинируя разные
источники информации
может дать лучшую
синхронизацию точкаточка.
Временная синхронизация
Multi-hop synchronization
Заключение
 Контроль топологии сети (Topology Control)
 Зона покрытия (Sensing Coverage)
 Локализация (Localization)
 Временная синхронизация (Time
Synchronization)
Литература
 Localization in Sensor Networks A. Savvides, L. Girod, M. Srivastava, and
D. Estrin, Book Chapter, Wireless Sensor Networks, Edited by Znati,
Radhavendra and Sivalingam.
 Power-Efficient Sensor Placement and Transmission Structure for Data
Gathering under Distortion Constraints D. Ganesan, R. Cristescu and B.
Berefull-Lozano
 Coverage in wireless ad hoc sensor networks X. Li, P. Wan, and O. Frieder
 Impact of Heterogeneous Deployment on Lifetime Sensing Coverage in
Sensor Networks, Jae-Joon Lee, Bhaskar Krishnamachari, C.C. Jay Kuo
 Topology Control for Wireless Sensor Networks J. Pan, Y.T. Hou, L. Cai, Y.
Shi, and S.X. Shen
The End