Herausforderungen bei der Softwareentwicklung für Sensor-Netzwerke

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1 Herausforderungen bei der Softwareentwicklung für Sensor-Netzwerke Jan Blumenthal, Dirk Timmermann Universität Rostock DFG Workshop X-Layering, SPP 1102 & SPP 1140 Frankfurt/Main, 24. November 2003

2 Gliederung Projekt-Vorstellung Einführung zu Sensor-Netzwerken Aktuelle Arbeiten Zusammenfassung 2

3 Projekt-Informationen Projekt: Middleware für mobile spontan vernetzte Sensornetzwerke Ziele: Untersuchung von Verfahren: Selbstkonfiguration von ad-hoc vernetzen Sensornetzwerken Kooperatives Zusammenarbeiten unabhängiger Knoten Fehlertoleranz Kontextabhängigkeit der zur Verfügung stehenden Dienste Lokationsbestimmung Adaptierbare, wiederverwendbare Middleware für Sensor- Netzwerke Entwicklung einer Referenzinfrastruktur 3

4 Charakteristik: Sensor-Knoten Limitierungen: Speicher (Flash/ROM: 8KB, RAM: 512 Byte) Batterie (Lebenszeit: Tage 10 Jahre) Begrenzte Rechenfähigkeit Übertragungsreichweite (5 20 m) Datenraten: Bit/s KB/s Funktechnologie: Bluetooth ZigBee proprietär: nanonet, Chipcon,... Beispiel: Materialüberwachung Zukünftige Sensorknoten 4

5 Charakteristik: Sensor-Netzwerk Selbstorganisation Ad hoc Netzwerkbildung Autonomer Verbindungsaufbau Mobilitätsbehandlung Netzwerkpflege Adressierung von Knoten, Routing Adaptive Reaktionen auf Umgebungsänderungen Kompensation von Ausfällen Kooperative Datenverarbeitung Context awareness Location positioning und location awareness Messdatenreduktion 5

6 Context Awareness Context Awareness: Anpassen des Verhaltens eines Knotens an seine aktuelle Umgebung. Infrastruktur-Kontext Beziehung zur umgebenden Infrastruktur eines Knotens Beispiel: Abschätzung der Bandbreite und der Zuverlässigkeit Domain-Kontext Beziehung zur Systemumgebung eines Knotens Beispiel: Kenntnis über Datensenken im Netzwerk Datensenke Einfacher Knoten Übertragungsreichweite 6

7 Kooperative Algorithmen Reduktion der Daten durch Datenvorverarbeitung und Datenaggregation Minimierung des Datenstromes zur Datensenke N 2 E r 3 E r 1 E r 2 N 3 N 1 Datensenke Beispiel: Ortsbestimmung Übertragung von E r 3 nach N3 Messen der Feldstärke von E r und 1 E r 2 Berechnung (Multilateration) Übertragung der ermittelten Positionen zur Datensenke Max. 6 Übertragungen Dezentralisierter Algorithmus 7

8 Dienste Definition: Programm, das über standardisierte Schnittstellen vom Netzwerk aus gesteuert wird. Suche nach Diensten Kaskadieren von Diensten ohne vorherige Kenntnis Service-Infrastruktur für entfernten Zugriff: Oberflächenprofil Service Service Proxy Oberflächenprofil? Sensor C Sensor B Sensor A Funknetz LAN Physical Physical Client Request Request Reply Reply Proprietäres Protokoll TCP/IP 8

9 Software-Aspekte Software für Sensor-Netzwerke Programmier-Aspekt Systemweite API Hardware-Abstraktion Verbergen der Heterogenität des verteilten Systems Programmoptimierungen Pre-Deployment Phase Verhaltens-Aspekt Zugriff auf entfernte Ressourcen ohne vorherige Kenntnis Anpassung der Anwendung an Umgebungsänderungen Task-Änderungen Evolution des Netzwerkes Post-Deployment Phase 9

10 Software Engineering Netzwerk Pflege Kooperative Algorithmen Hardware-Abstraktion Dienste Context Awareness Middleware: Middleware Kapselung der Komplexität eines verteilten Systems Standardisierte Schnittstellen zur Knoten-Anwendung Remote-Access durch Dienste Anpassung der Software an dynamische Systemänderungen Ziel: Ressourcen-optimierte service-orientierte Middleware für verschiedene Plattformen. 10

11 Aktuelle Arbeiten Teilbereich Middleware Positionierung Routing Referenzinfrastruktur Aktivität Architektur für Middleware (SeNeTs) Schnittstellenoptimierung Positionsbestimmung in TinyOS Untersuchung und Verbesserung von Algorithmen Trilateration (einfach, iterativ und kollaborativ) Coarse Grained APIT Hop Terrain Mathematische Verfahren (Kalman, MMSE) Algorithmus Positionsbasiertes Routing Emulation von Sensor-Netzwerken 11

12 Software-Architektur Abstrakte Schnittstellen Applikation Middleware Node-spezifisches Betriebssystem Treiber Hardware Hardwareabhängige Schnittstellen Eigenschaften von Schnittstellen + Hardwareunabhängig + Austauschbare Komponenten - Overhead durch Anpassungen - Höhere Laufzeit & höherer Energieverbrauch Werden alle diese Eigenschaften in Sensor-Netzwerken benötigt? 12

13 Eigenschaften von Schnittstellen Eigenschaft Treiber, OS, Middleware Software-Schicht Dienste, Applikation Hardwareunabhängigkeit Austauschbare Komponenten Programmgröße Laufzeit Energieverbrauch Bedeutung der Eigenschaften richtet sich nach Lage im Schichtenmodell. 13

14 Schnittstellen-Optimierung Ansatz in Sensornetzwerken: Schnittstellen-Optimierung + Programmgröße + Geschwindigkeit + Energieverbrauch - Austauschbarkeit - Plattformunabhängigkeit Generische Schnittstelle void setbaudrate(int handle, int baudrate) { hardware_addr=getioaddress(handle); hardware_addr->btr0=baudrate; } Optimierte Schnittstelle void setbaudrate(int baudrate) { // getioaddress(handle); BTR0=baudrate; } Nur gültig bei Nutzung eines IO-Geräts Einsparungen: Parameterübergabe, Funktionsaufruf, Stackoperation, Rückgabewert + Zuweisung, Feld-Operation 14

15 Knoten-Anwendungen Sensor Knoten Software-Modell Änderungen der Schnittstellen an Bedürfnisse des Programms Proprietäre Schnittstellen innerhalb eines Knotens! Entwicklung eines Precompilers notwendig 15

16 Optimierungskriterien Optimierungskriterium Parameter-Eliminierung Statische Parameter Parameter-Anordnung Parameter- Zusammenfassung Beschreibung Entfernen unbenutzter Parameter aus dem Funktionskopf Entfernen von Funktionsaufrufen mit konstanten Parametern Nutzen von statischen Variablen und Konstanten Ändern der Übergabereihenfolge von Parametern Vorteilhaft bei Kaskadierung von Funktionen Kombinieren von Parametern Kenntnisse des kompletten Programmablaufs notwendig! Entwicklung eines Precompilers erforderlich 16

17 Sensor Netzwerk Design Components Design & Edit Optimization Compile/Link Execute/Administrate Evaluation Resource Hardware driven Monitoring Optimization Entwicklung hardware-optimierter Software-Komponenten (Treiber, OS) Entwicklung hardware-unabhängiger Software-Komponenten (Middleware) Kombination vordefinierter Komponenten Quellcode-Erzeugung Entfernen ungenutzter Komponenten Optimierung der Schnittstellen Optimierung auf Knoten-Hardware Compiling/Linking Verteilung der Nodes Beobachten der Programm-Ausführung Anlegen von Logfiles Auswertung der Logfiles Entwicklungsumgebung Änderungen gegenüber herkömmlichen Design-Methoden 17

18 Verfahren zur Positionsbestimmung Positionsbestimmung Nachbarschaftsbeziehung Distanzbestimmung Richtungsbestimmung Eingrenzung Zeitmessung Signalstärkemessung Winkelmessung Where are my Time of Time Difference Received Signal Angle of neighbors? Arrival (ToA) of Arrival Strength (RSSI) Arrival (AoA) 18

19 Positionierungsalgorithmen Positionsbestimmung Grobkörnig, >5% Feinkörnig, <5% X Est = X i1 ( +... X k ik Mittelpunktbildung (Coarse Grained) ) Dreiecksbildung (APIT) i ( x y 2 2 0, y0, di ) = di ( xi x0) ( yi 0) b = ( X T 1 X ) X T Multilateration (Atomar, iterativ, kollaborativ) y : Fehler in der Berechnung der Position : Beacon : Einfacher Knoten 19

20 Zusammenfassung Herausforderungen bei Software-Entwicklung für SN Dienste & Netzwerkarchitekturen Kooperative Datenerfassung Softwareentwicklung Optimierung Schnittstellen-Overhead Positionierung Grobkörnige und feinkörnige Algorithmen 20

21 Vielen Dank