Lokale Netzstrukturen. Einführung

Transkript

1 Lokale Netzstrukturen Einführung

2 Motivation WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 2

3 Moore s Law WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 3

4 Exploiting Moore s Law wrt. Scale Size Number one mainframe for many desktop PC for one many devices for one 4

5 How to Network many Devices? Small (and possibly mobile devices) wireless networking Classical wireless Networking uses base stations Example: Wireless LAN Example: Mobile Phones Why always relying on an infrastructure? Less maintenance cost without relying on an infrastructure Rapid installation of a network if infrastructure is used Communication would be for free Not involving a far away base station may even save communication bandwidth Try to construct a network without infrastructure, using networking abilities of the participants Simplest example: Laptops in a conference room a single hop ad hoc network More sophisticated example: multihop ad hoc networks WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 5

6 Ad Hoc Networking Examples Factory floor automation Disaster recovery Car-to-car communication ad hoc Military networking: Tanks, soldiers, Finding out empty parking lots in a city, without asking a server Search-and-rescue in an avalanche Personal area networking (watch, glasses, PDA, medical appliance, ) Rooftop networks WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 6

7 The Wireless Sensor Network Idea Sensor Node Sensor Network WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 7

8 Example: Environmental Monitoring Example: Great Duck Island, Berkeley, Culler et al. WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 8

9 Example: Precision Agriculture Example: LOFAR project Fighting Phytophtora using micro climate Temperature and relative humidity WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 9

10 Example: Forest Fire Detection WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 10

11 Example: Exploration of Unknown Territory Example: CotsBots, Berkeley, Pister et al. WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 11

12 Example: Traffic Telematics WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 12 Image source:

13 More Examples Building Automation Home Automation Industrial Automation Logistics WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 13

14 Die Idee der drahtlosen Sensor Aktuator Netze Beispiel Gebäudeautomatisierung Generell: Aktoren in den Beispielanwendungen von Sensornetzen WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 14

15 Idee: Mobile autonome Roboter Sensor Netze Beispiel: Überwachung eines kontaminierten Gebietes Beispiel: Exploration von unerforschtem schwer zugänglichem Gebiet WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 15

16 Idee: Kombinierte mobile Roboter und Sensor (Aktuator) Netze Mobile Roboter als drahtlose Support Knoten oder Data Mules Mobile Roboter für Deployment und Maintenance von drahtlosen Sensor (Aktuator) Netzen WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 16

17 Herausforderungen

18 Drahtlose Kommunikation = Unzuverlässige Kommunikation NLOS-Weg LOS-Weg Typisches Fading Verhalten Hauptursache: Mehrwegeausbreitung WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 18

19 Hoher Pfadverlust Multihop WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 19

20 Große Kollisionsdomänen Multihop Sender Receiver WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 20

21 Große Kollisionsdomäne Broadcast Stürme hoch Kollisionen & Redundante Übertragungen niedrig Auslieferungsrate Netzdichte WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 21

22 Limitierender Faktor Batteriekapazität WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 22

23 Energie Effizienz Multihop 100 njoule/bit 100 m 1 njoule/bit 10 m Signalstärke Bluetooth Beispiel 100m in einem Hop: 100nJ/Bit 100m in zehn Hops: 10nJ/Bit Distanz WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 23

24 Energieeffizienz Schalf Wach Zyklen Traditionelle MAC-Verfahren: P P active Power Consumption P sleep TX/RX TX/RX TX/RX t Ein ideales energieminimales MAC-Verfahren: P P active Power Savings P sleep Power Consumption TX/RX TX/RX TX/RX t WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 24

25 Energieeffizienz In Network Processing S1 send(d1) S3 send(d3) Sink: compute max(d1,d2,d3) S2 send(d2) Beispiel: Maximum Berechnung S1 send(d1) S3 send(m) Sink S2 send(d2) compute m = max(d1,d2,d3) Kommunikationseinsparungen durch Datenaggregation WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 25

26 Energieeffizient und kleine Größe Limitierte Ressourcen BTNode Mica2 Flash RAM in kb Mica2Dot Internal RAM in kb Tmote Sky Serial attached Flash in kb WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 26 Source: Imote

27 Energieeffizient und kleine Größe Limitierte Ressourcen CC1000 CC1021 CC2420 TR1000 XE1205 Bit Rate [kbps] Sleep Mode [ua] (osc. core off) RX [ma] 9.3 (433MHz) / 11.8 (868MHz) TX Min [ma] 8.6 (-20dBm) 14.5 (- 20dBm) TX Max [ma] 25.4 (+5dBm) 1.8 (core off) (115.2kbps) 25.1 (+5dBm) (-25dBm) 33 (+5dBm) 17.4 (0dBm) 12 (+1.5dBm) 62 (+15dBm) WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 27 Source:

28 Mobilität WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 28

29 Modellbildung Modellierung einer einzigen Verbindung WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 29

30 Path Loss S RX S RX = WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 30 d

31 Path Loss: A Geometric Explanation WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 31

32 Considering Attenuation S RX = WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 32

33 Further Effects Reflection & Refraction Scattering Diffraction Doppler Shift WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 33

34 Log Distance Path Loss Model WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 34

35 Considering Shadowing: Lognormal Model WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung 35

36 Modeling the Time Varying Nature Consider mobile sender receiver pair Modeling received signal strength as R.V. X Considering probability P[X x] (the CDF) Example: Rayleigh Fading Model No line of sight Exponential distributed CDF Example: Ricean fading model Dominant line of sight Ricean distributed CDF 36 WS 13/14 Lokale Netzstrukturen Einführung