Lokalisierung und Topologiekontrolle

Transkript

1 Lokalisierung und Topologiekontrolle Seminar: Kommunikation in drahtlosen Sensornetzwerken Martin Schmidt

2 Einführung Lokalisierung: Für viele Informationen ist die Position wichtig Traditionelle Technik wie GPS oft zu teuer Topologiekontrolle: Effizienz eines Sensornetzwerkes hängt von der Topologie ab Lebensdauer hängt vom Energieverbrauch ab Wie kann dieser minimiert werden?

3 Lokalisierung Für jeden Sensorknoten muss dessen Position bestimmbar sein Beobachtete Objekte im Sensorbereich müssen genau lokalisiert werden Abwägung zwischen relativen und absoluten Positionen Mögliche Verfahren: Angulation oder Lateration

4 Entfernungsbestimmung Wichtig für die Lateration Verschiedene Verfahren mit unterschiedlichen Aspekten in puncto Genauigkeit und Ressourcenbedarf

5 Received Signal Strength Indicator (RSSI) Aus der empfangenen Signalstärke und dem bekannten Ausbreitungsverlust kann die Entfernung errechnet werden Einfache Umsetzung, da Hardware vorhanden (Sender / Empfänger) Umweltbedingungen können hierbei zu großen Abweichungen (bis zu ± 50 %) führen

6 Time of Arrival Ausbreitungsgeschwindigkeit und seit der Abstrahlung vergangene Zeit lassen auf Distanz schließen Nachteile: Sender und Empfänger müssen synchronisiert sein Umweltfaktoren führen auch hier zu Abweichungen

7 Time Difference of Arrival Zwei Signale unterschiedlicher Laufzeit werden gleichzeitig gesendet Empfänger kann aus der zeitlichen Differenz der Signale Entfernung bestimmen Höhere Genauigkeit als andere Verfahren Teurer wegen zusätzlicher Hardware

8 Empfangswinkel Wichtig im Falle einer Angulation Einfaches Verfahren: Direktionale Antennen empfangen nur innerhalb bestimmter Winkel Durch Rotation können alle Winkel beobachtet werden (vgl. Radar) Für Sensorknoten ungeeignet

9 Empfangswinkel Alternative: Ausnutzen der Ausbreitungsgeschwindigkeit Mehrere Antennen an verschiedenen Stellen empfangen Signal Über zeitliche Differenz kann der Winkel errechnet werden Größere Genauigkeit führt zu größerem Aufwand bei der Kalibrierung der Antennen

10 Lateration Von bekannten Punkten P1, P2 und P3 wird die Entfernung gemessen Nach der ersten Messung kennt man den Kreis, auf dem der gesuchte Punkt liegen muss

11 Lateration Nach der zweiten Messung ist der gesuchte Punkt einer von zweien: A oder B Mittels dritter Messung wird dann Position B als gesuchte gefunden Trilateration

12 Lateration Mit nur drei Messungen können Messfehler zu groben Abweichungen führen Daher mehrere Messungen, um die Position einzuschränken Multilateration

13 Angulation Zwei Stationen mit bekannter Entfernung b peilen den Punkt P an und messen die Winkel

14 Angulation Nun kann über trigonometrische Verfahren der Abstand von P zu S1 und S2 und somit die Position im Koordinatensystem bestimmt werden

15 Angulation Das links vorgestellte Verfahren wird dem üblicheren Namen Triangulation bezeichnet Auch hier können Messfehler durch wiederholte Messungen verringert werden

16 Lokalisierung Aufgrund der Hardwareanforderungen wird innerhalb des Sensornetzes vermehrt auf die Lateration gesetzt Angulation meist nur von Ankerpunkten möglich

17 Topologiekontrolle Dichtere Sensornetze bringen unerwünschtes Verhalten mit Interferenz zwischen Sensoren Ineffizientes Routing Energieverbrauch bedingt Lebensdauer

18 Dynamik im Sensornetz Topologie-Algorithmen müssen den dynamischen Aspekt eines Sensornetzes beachten Position der Sensoren kann sich ändern Sensoren können komplett ausfallen Effizienz eines Sensornetzes darf darunter nicht leiden

19 Topologiekontrolle Vorhandenes Netz G muss in effizienteren Graph T überführt werden Dynamisches Aktivieren und Deaktivieren von Sensoren Beschränkung auf bestimmte Verbindungen Verbindungen hierarchisch ordnen Sensoren zusammenfassen (Clustering)

20 Zustandswechsel der Sensoren Sensoren können aktiv und inaktiv sein Redundanz im Netz ermöglicht es, zu jedem Zeitpunkt nur eine bestimmte Anzahl an Sensoren aktiv zu halten Übrige Sensoren sparen Energie

21 Verbindungen organisieren Sendestärke reduzieren, damit Sensoren nur noch mit unmittelbaren Nachbarn kommunizieren Verschiedene Ränge von Sensoren einführen, um die Kommunikation in einer Baumstruktur zu verwalten

22 Sensoren zusammenfassen Sensoren können zu Clustern zusammengefasst werden Vgl. mit vorherigem Ansatz Kommunikation zwischen Clustern nur noch über ausgezeichnete Verbindungen möglich

23 Zusammenfassung Verschiedene Verfahren zur Bestimmung von Sensoren und Objekten Vorteilhaft: Ausnutzung von vorhandenen Ressourcen Nachteil: Genauigkeit oft nur durch mehrfaches Messen gegeben Abwägung im einzelnen Falle

24 Zusammenfassung Topologie bedingt die Effizienz und Lebensdauer eines Sensornetzes Das Netz ist nicht statisch, sondern fortlaufenden Änderungen unterworfen

25 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen?