Energiegewahrer Betrieb von Funknetzwerken

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1 Energiegewahrer Betrieb von Funknetzwerken PG Solar Doorplate Daniel Smit PG595 - Arbeitsgruppe Eingebettete System Software 17. Oktober 2015 D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

2 Ziel At the network layer, the main aim is to find ways for energy-efficient route setup and reliable relaying of data from the sensor nodes to the sink so that the lifetime of the network is maximized. [1] D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

3 Physical & Link Layer werden hier nicht genauer betrachtet D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

4 Physical & Link Layer werden hier nicht genauer betrachtet unterscheiden sich wenig je nach Anwendung des WSN D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

5 Physical & Link Layer werden hier nicht genauer betrachtet unterscheiden sich wenig je nach Anwendung des WSN "DVS, Radio communication Hardware, low duty cycle issues, system partitioning, energy-aware MAC protocols (s. [1]) D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

6 Physical & Link Layer werden hier nicht genauer betrachtet unterscheiden sich wenig je nach Anwendung des WSN "DVS, Radio communication Hardware, low duty cycle issues, system partitioning, energy-aware MAC protocols (s. [1]) Konzentration aufs Routing D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

7 Charakteristika der Anwendung Aufteilung der Schichten nicht so streng, wie beim ISO/OSI-Modell vorgesehen D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

8 Charakteristika der Anwendung Aufteilung der Schichten nicht so streng, wie beim ISO/OSI-Modell vorgesehen Viel hängt von Charakteristika der Anwendung ab D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

9 Charakteristika der Anwendung Aufteilung der Schichten nicht so streng, wie beim ISO/OSI-Modell vorgesehen Viel hängt von Charakteristika der Anwendung ab Network dynamics D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

10 Charakteristika der Anwendung Aufteilung der Schichten nicht so streng, wie beim ISO/OSI-Modell vorgesehen Viel hängt von Charakteristika der Anwendung ab Network dynamics Node deployment D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

11 Charakteristika der Anwendung Aufteilung der Schichten nicht so streng, wie beim ISO/OSI-Modell vorgesehen Viel hängt von Charakteristika der Anwendung ab Network dynamics Node deployment Energy considerations D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

12 Charakteristika der Anwendung Aufteilung der Schichten nicht so streng, wie beim ISO/OSI-Modell vorgesehen Viel hängt von Charakteristika der Anwendung ab Network dynamics Node deployment Energy considerations Data delivery model D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

13 Charakteristika der Anwendung Aufteilung der Schichten nicht so streng, wie beim ISO/OSI-Modell vorgesehen Viel hängt von Charakteristika der Anwendung ab Network dynamics Node deployment Energy considerations Data delivery model Node capabilities D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

14 Charakteristika der Anwendung Aufteilung der Schichten nicht so streng, wie beim ISO/OSI-Modell vorgesehen Viel hängt von Charakteristika der Anwendung ab Network dynamics Node deployment Energy considerations Data delivery model Node capabilities Data aggregation/fusion (vgl. [1]) D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

15 Charakteristika der Anwendung Aufteilung der Schichten nicht so streng, wie beim ISO/OSI-Modell vorgesehen Viel hängt von Charakteristika der Anwendung ab Network dynamics Node deployment Energy considerations Data delivery model Node capabilities Data aggregation/fusion (vgl. [1]) Design schichtübergreifend D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

16 Kategorien von Routingprotokollen Akkaya etal. teilen Routingprotokolle in 3 Kategorien ein. 1 Data centric D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

17 Kategorien von Routingprotokollen Akkaya etal. teilen Routingprotokolle in 3 Kategorien ein. 1 Data centric 2 Hierarchical D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

18 Kategorien von Routingprotokollen Akkaya etal. teilen Routingprotokolle in 3 Kategorien ein. 1 Data centric 2 Hierarchical 3 Location based D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

19 Kategorien von Routingprotokollen Akkaya etal. teilen Routingprotokolle in 3 Kategorien ein. 1 Data centric 2 Hierarchical 3 Location based 4 (Network flow / QoS-aware) D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

20 Data centric Daten erhalten Namen D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

21 Data centric Daten erhalten Namen Abfragen werden anhand von Attributen getroffen D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

22 Data centric Daten erhalten Namen Abfragen werden anhand von Attributen getroffen Neue Daten werden z.b. Anhand ihrer Attribute vom Halter der Daten im Netzwerk Beworben D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

23 Hierarchy Based Knoten werden in Cluster aufgeteilt D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

24 Hierarchy Based Knoten werden in Cluster aufgeteilt Routing erfolgt zunächst zu den Clustern und wird dann innerhalb des Clusters verteilt D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

25 Hierarchy Based Knoten werden in Cluster aufgeteilt Routing erfolgt zunächst zu den Clustern und wird dann innerhalb des Clusters verteilt Daten können aggregiert werden D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

26 Hierarchy Based Knoten werden in Cluster aufgeteilt Routing erfolgt zunächst zu den Clustern und wird dann innerhalb des Clusters verteilt Daten können aggregiert werden Cluster heads sind manchmal spezielle Knoten, die weniger energiebeschränkt sind D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

27 Location Based Die Lage der Knoten ist in irgendeiner Form bekannt (u.a. auch GPS) D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

28 Location Based Die Lage der Knoten ist in irgendeiner Form bekannt (u.a. auch GPS) Eher weniger Ansätze in der Literatur D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

29 Location Based Die Lage der Knoten ist in irgendeiner Form bekannt (u.a. auch GPS) Eher weniger Ansätze in der Literatur Größte Forschungsherausforderung: Wie kann die Lageinformation effizient genutzt werden? D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

30 QoS Falls Durchsatz ein Thema ist (z.b. zur Übtertragung von Video-/Audiodaten) D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

31 QoS Falls Durchsatz ein Thema ist (z.b. zur Übtertragung von Video-/Audiodaten) Sehr wenig Forschung für QoS in stark resourcenbeschränkten Szenarien D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

32 Energy-Awareness Viele Algorithmen halten Energiekosten der Verbindungen vor D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

33 Energy-Awareness Viele Algorithmen halten Energiekosten der Verbindungen vor Durch wählen des kürzesten Weges, wird der Energieverbrauch eines Weges minimiert D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

34 Energy-Awareness Viele Algorithmen halten Energiekosten der Verbindungen vor Durch wählen des kürzesten Weges, wird der Energieverbrauch eines Weges minimiert Dadurch allerdings ungleiche Energieverbrennung D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

35 Energy-Awareness Viele Algorithmen halten Energiekosten der Verbindungen vor Durch wählen des kürzesten Weges, wird der Energieverbrauch eines Weges minimiert Dadurch allerdings ungleiche Energieverbrennung! Ziel war: Erhöhung der Lebenszeit! D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

36 Energy-Awareness Viele Algorithmen halten Energiekosten der Verbindungen vor Durch wählen des kürzesten Weges, wird der Energieverbrauch eines Weges minimiert Dadurch allerdings ungleiche Energieverbrennung! Ziel war: Erhöhung der Lebenszeit! Ein Lösungsansatz: Zufällige Auswahl aus einer Menge alternativer Wege D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

37 TinyDB A distributed query processor for smart sensor devices [2] D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

38 TinyDB A distributed query processor for smart sensor devices [2] Getestet auf eigener Hardware unter TinyOS D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

39 TinyDB A distributed query processor for smart sensor devices [2] Getestet auf eigener Hardware unter TinyOS SQL-ähnlich mit speziellen Abfrage-Konstrukten für Sensornetzwerke D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

40 TinyDB A distributed query processor for smart sensor devices [2] Getestet auf eigener Hardware unter TinyOS SQL-ähnlich mit speziellen Abfrage-Konstrukten für Sensornetzwerke z.b.: ON EVENT, SAMPLE PERIOD 2s FOR 30s, LIFETIME 30 days D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

41 TinyDB A distributed query processor for smart sensor devices [2] Getestet auf eigener Hardware unter TinyOS SQL-ähnlich mit speziellen Abfrage-Konstrukten für Sensornetzwerke z.b.: ON EVENT, SAMPLE PERIOD 2s FOR 30s, LIFETIME 30 days Abfragen können entlang der Route teilweise evaluiert werden D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

42 TinyDB A distributed query processor for smart sensor devices [2] Getestet auf eigener Hardware unter TinyOS SQL-ähnlich mit speziellen Abfrage-Konstrukten für Sensornetzwerke z.b.: ON EVENT, SAMPLE PERIOD 2s FOR 30s, LIFETIME 30 days Abfragen können entlang der Route teilweise evaluiert werden Routing hängt eng mit der Abfrage zusammen D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

43 TinyDB - Abfragetypen Monitoring queries D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

44 TinyDB - Abfragetypen Monitoring queries Network health queries D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

45 TinyDB - Abfragetypen Monitoring queries Network health queries Exploratory queries D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

46 TinyDB - Abfragetypen Monitoring queries Network health queries Exploratory queries Nested queries D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

47 TinyDB - Abfragetypen Monitoring queries Network health queries Exploratory queries Nested queries Actuation queries D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

48 TinyDB - Abfragetypen Monitoring queries Network health queries Exploratory queries Nested queries Actuation queries Offline delivery D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

49 Zusammenfassung Design des Routingalgorithmus stark anwendungsabhängig Beachtung der noch verfügbaren Energie Zur Anwendung passende Abfragen D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14

50 Literatur I Akkaya, Kemal und Mohamed Younis: A survey on routing protocols for wireless sensor networks. Ad Hoc Networks, 3(3): , Madden, Samuel R., Michael J. Franklin, Joseph M. Hellerstein und Wei Hong: TinyDB: An Acquisitional Query Processing System for Sensor Networks. ACM Trans. Database Syst., 30(1): , März D. Smit (PG LS XII Informatik) Energiegewahres Funken / 14