Transcript Lecture-1
Bežične Senzorske Mreže Uvod u senzorske mreže Mario Čagalj
FESB, 12/3/2014.
Bazirano na “Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks”, Holger Karl, 2005.
Motivacija
o Klasične bežične mreže bazirane su na “teškoj” infrastrukturi > Mobilni uređaji se spajaju bežičnim putem preko baznih stanica (GSM, UMTS) i pristupnih točaka (WiFi, WLAN) na Internet > Uspostavljanje klasičnih mreža je potencijalno dugotrajan i skup proces (zahtjeva dosta planiranja i vremena) IP Backbone(routing infrastructure)
2
Motivacija
o Što napraviti ukoliko infrastruktura nije dostupna > U slučaju nekakve katastrofe u nepristupačnom području (npr. Kornatska tragedija) > Infrastruktura je skupa (neisplativa za investitora – ruralni krajevi, slabo naseljni otoci) > Postoji vremensko ograničenje (spasilačka akcija, vojna akcija, vatrogasna intervencija)
3
“Ad Hoc” Bežične Mreže
o Mreže koje ne koriste “tešku” infrastrukturu > Ad hoc na latinskom znači “za ovu svrhu” > Decentralizirana (bez infrastrukture) bežična mreža uspostvaljena za neku specifičnu svrhu > Svaki mobilni/statični uređaj može prosljeđivati promet za druge mrežne uređaje > Generalno, svi uređaji rade sve (nema specijaliziranih uređaja kao što su routeri, pristupne točake, bazne stanice) Internet WiFi mreže: Centraliziran (infrastructure) način rada WiFi: Ad hoc način rada
4
Primjene “ad hoc” bežičnih mreža
o Oporavak od katastrofa o Komunikacija između vozila (car2car) o Povezivanje vojnih objekata i ljudi: tenkovi, vojnici, … o Traženje slobodnog parkirnog mjesta (bez kontakta sa centralnim serverom) o Potraga i spašavanje u slučaju odrona i lavina o Personal Area Networks (PAN) (satovi, medicinski uređaji)
5
Izazovi kod ad hoc mreža
o Bez centralizirane infrastrukture organizacija protoka podataka i same mreže postaje puno zahtjevnija o Kod ad hoc mreža javljaju se sljedeći problemi > Organizacija mreže bez centralnog entiteta > Ograničen komunikacijski (radio) domet (nepostojanje “snažnih” baznih stanica) > Mobilnost mrežnih urežaja > Uređaji se napajaju putem baterija
6
Decentralizirana samoorganizirana mreža
o Bez centralnog entiteta (npr. bazne stanice, pristupne točke), mrežni uređaji moraju se sami organizirati u funkcionalnu mrežu > Koncept samoorganizacije ( self-organization ) o Samoorganizacija se odnosi između ostalog na: > Pristup zajedničkom kanalu (Medium Access Control) – ne postoji bazna stanica koja bi regulirala pristup dijeljenom kanalu (ovo se radi na distribuirani način) > Usmjeravanje prometa (paketa) kroz mrežu (pronalaženje optimalnih ruta između različitih uređaja u mreži)
7
Ograničen komunikacijski domet
o U mnogim scenarijima nužna je komunikacija sa udaljenim uređajima (sa uređajima koji se nalaze van komunikacijskog dometa) > Direktna komunikacija nemoguća zbog udaljenosti, prepreka, i dr.
> Rješenje: multi-hop umrežavanje ( multi-hop networking ) ?
8
Mobilnost mreže
o U mnogim scenarijima, korisnici ad hoc mreže su u pokretu > Kod celularnih mreža ovaj problem je rješen handoverom , gdje “najbliža” bazna stanica preuzima korisnika o U mobilnim ad hoc mrežama ( Mobile Ad hoc NETworks MANET s) > Mijenjaju se odnosi između susjeda (uređaj “gubi” stare susjede a “dobiva” nove) > Stoga se putanje izmeđe pojedinih uređaja mijenjaju (potrebni adaptivni protokoli) o Stvari se dodatno kompliciraju veličinom mreže > U velikim MANET-ima teško je efikasno održavati komunikaciju (bez centralne infrastrukture)
9
Mrežni uređaji su baterijski napajani
o Uređaji u ad hoc mrežama se često napajaju putem baterija o Cilj je osigurati dug vijek mreže > Individulanih mrežnih uređaja > Kao i mreže u cjelini o Potreba za “štedljivim” > Koristi multi-hop komunikaciju (umjesto direktne komunikacije preko velikih distanci, npr. P r ( d energy-efficient β > P r d 1 β + P r d 2 β ) mrežnim protokolima , sa d=d 1 +d 2 ) > Uzeti u obzir preostalu energiju baterija pri donošenju odluka o komunikacijskoj strategiji
10
Bežične senzorske mreže
o Wireless Sensor Network ( WSN ) spada u kategoriju ad hoc mreža o U prethodnim primjerima korisnici su bili u direktnoj interakciju sa mrežnim uređajima dok kod WSN imamo potpuno drugačiji koncept o Kod WSNs fokus je interakcija sa čovjekovim okruženjem, a ne sa samim čovjekom > WSN je integrirana ( embedded ) u čovjekovo okruženje > Senzorski uređaji ( čvorovi , sensor nodes ) su opremljeni sa osjetilima ( senzorima ) i aktuatorima koji mogu mjeriti i mijenjati stanje okruženja > Senzorski čvorovi procesiraju informacije iz okoline i komuniciraju rezultat to procesiranja bežičnim putem
11
Bežična senzorska mreža
o Individualno, senzorski uređaji imaju vrlo ograničene resurse > 8-bit 4MHz CPU, 4K RAM, 19.2 Kbps (brzina slanja podataka) o “Snaga” senzorskih mreža proizlazi iz velikog broja senzorskih jedinica kojem međusobno “surađuju” (slično kolonijama mrava)
12
Primjene bežičnih senzorskih mreža
o Oporavak u slučaju katastrofa > Izbaci senzorske čvorove iz aviona na područje zahvaćeno požarom > Svaki čvor mjeri temperaturu > Može se izvesti “temperaturna mapa” za dano područje o Nadzor i motrenje životinjskih vrsta > Koristi senzore za motrenje životinjskog svijeta (ZebraNet – Princeton) o Inteligentne zgrade i mostovi > Smanjenje potrošnje energije > Određivanje zauzetosti prostorija, kontrola životnih uvjeta (temperatura, vlaga, kvaliteta zraka) > Kontinuirani nadzor mehaničkih naprezanja (posebice tijekom ili nakon potresa)
13
Primjene bežičnih senzorskih mreža
o Upravljanje i nadzor industrijskih objekata > Detekcija provala u industrijska postrojenja > Kontrola curenja kemaikalija,...
o Nadzor i preventivno održavanje strojeva > Ugradi senzore na mjesta koja nistu dostupna putem kabela > Kontrola pritiska u točkovima o Poljoprivreda > Određivanje mikro-klimatskih uvjeta > Kada i gdje koristiti umjetna gnojiva o Medicina i zdrastvena njega > Post-operativna njega (Ericsson) > Nadzor starijih osoba i pacijenata
14
Primjene bežičnih senzorskih mreža
o Logistika > Opremi dobra (“kontejner”) sa senzorskim čvorom > Prati kretanje i stanje robe u svakom trenutku o Inteligentne prometnice > Bolja kontrola prometa na osnovu informacija o prometu i stanju prometnica dobivenim putem senzorske mreže > Automobili kao senzorski uređaji
15
Osnovne uloge bežičnih senzorskih čvorova
o Izvorište podataka ( data source ) > “Mjeri” okolinu i šalje prikupljene/obrađene podatke nekom odredištu > Tipično je opremljen različitom vrstom “osjetila” (detektora) o Odredište podataka ( data sink ) > Očekuje i prima podatke iz bežične senzorske mreže (WSN) > Može biti dio mreže ili vanjski element (PDA, bazna stanica) o Aktuator > Upravlja nekakvim uređajem (obično se radi o “snik”-u)
16
Bežična senzorska mreža
17
Tipovi aplikacija WSNs
o Tipovi aplikacija kod WSNs su određeni obrascima interakcija između izvorišta i odredišta podataka > Detekcija događaja : Senzorski čvorovi lokalno detektiraju događaje i šalju izvještaje o tim događajima zainteresiranim (“pretplaćenim”) odredištima > Periodička mjerenja > Aproksimacija funkcije : Upotreba senzorske mreže za aproksimaciju funkcije koja je ovisna o prostoru i vremenu (npr. izrada temperaturne mape) > Detekcija ruba : Detektiraj (pronađi) rubove (odnosno strukturu) kod aproksimiranih funkcija (npr., pronađi graničnu liniju gdje je temperatura jednaka 0°C) > Praćenje : Prati poziciju detektiranog “uljeza” (objekta, osobe, životinje, vozila)
18
Kako postaviti senzorsku mrežu?
o Postoji nekoliko alternativa za postavljanje senzorskih čvorova u željeno okruženje > Bacanjem iz zrakoplova -> slučajno postavljanje (random deployment) > Obično se pretpostvalja da su senzori rapoređeni po uniformnoj slučajnoj distribuciji na nekom ograničenom području > Koliko je realistična ova pretpostavka? > Analiza – teorija perkolacije (postoji kritična gustoća čvorova)
19
Kako postaviti senzorsku mrežu?
o Postoji nekoliko alternativa za postavljanje senzorskih čvorova u željeno okruženje > Unaprijed planirano (regularno) postavljanje -> plansko postavljanje > Nije nužno da senzori prate nekakvu regularnu geometriju (geometrija može biti određena raznim zahtjevima) > Realistična opcija kod “malih” i “skupih” senzorskih mreža
20
Kako postaviti senzorsku mrežu?
o Postoji nekoliko alternativa za postavljanje senzorskih čvorova u željeno okruženje > Mobilni senzorski čvorovi > Mogu kompezirati eventualne nedostatke kod drugih načina postavljanja (osigurati povezanost mreže gdje je nema, smanjiti zahtjeve na potrošnju energije) > Senzori se mogu pasivno micati kroz neko područje tako da se pokreću nekom vanjskom silom (sjećate li se filma Twister?) > Napredniji senzori mogu aktivno tražiti zanimljiva područja
C C C
Gateway
21
Figures by Karl-Erik Årzén, Dan Henriksson, Anton Cervin et al.
Održavanje senzorske mreže
o Je li uopće moguće održavati senzorske čvorove?
> Npr., da li mijenjati baterije? (kako kod velikih mreža, > 1000 čvorova) > Trend je da senzorske mreže rade autonomno, bez nadzora > Ovo se posebno odnosi na one ad hoc misije (scenarije) o Napajanje senzorskih čvorova? > Imamo ograničen izvor energije od trenutka postavljanja mreže > Je li moguće puniti baterije na senzorima (bez intervencije čovjeka)?
• Npr., solarne ćelije (što u slučaju in-door instalacija) • Thermoharvester-Driven Wireless Sensor Node (by Micropelt) http://www.micropelt.com
22
Karakteristični zahtjevi WSNs
u odnosu na druge mreže
o Tip usluge koju WSN pruža > WSN se ne koristi samo za prijenos “raw” bitova (kao klasične mreže) > WSN daje “odgovore” ne samo brojeve o Kvaliteta usluge (Quality of Service - QoS) > Tradicionalne QoS metrike (propusnost – Mbps, kašnjenje i sl) nisu uvijek važne > Usluga koju pruža WSN mora biti “dobra”: “Right answers at the right time” o Tolerancija na greške (fault tolerance) > Senzorske mreže moraju biti robustne na moguće pogreške u mreži (neki čvorovi potroše svu energiju, slon pogazi određeni broj senzora) > Ovaj problem se kompezira velikim brojem senzorskih jedinica (redundacija) o Vrijeme trajanja (života) senzorske mreže > WSN mora ispunjavati svoj cilj što duže vrijeme – koliko dugo ovisi o konkretnoj aplikaciji (namjeni) > Vrijeme trajanja mreže individualnih čvorova relativno je nebitno (stoga se mora paziti na sam dizajn mreže – “smrt” jednog senzora ne smije ugroziti rad ostatka
23
Karakteristični zahtjevi WSNs
u odnosu na druge mreže
o Skalabilnost > WSN mora podržavati veliki broj senzorskih čvorova o WSN moraju raditi sa različitim gustoćama mreže > Veliki ili mali broj čvorova po jedinici prostora > Ovisno o primjeni o Programabilnost > Treba osigurati mogućnosti re-programiranja senzorskih čvorova u polju (bolji software, sigurnosni propust) o Održavanje > WSNs se moraju adaptirati na promjene (npr. gubitak određenog broja senzora iz mreže) > WSN mreža također mora imati mogućnost prihvaćati novo postvaljene senzorske čvorove (sigurnost)
24
Kako ispuniti zahtjeve senzorskih čvorova?
o Multi-hop bežična komunikacija o “Energy-efficient” način rada > Ovo se odnosi na komunikaciju, procesiranje, detekciju i mjerenje, upravljanje drugim uređajima o Auto-konfiguracija > Manualna konfiguracija je samo alternativa > WSNs moraju raditi autonomno, bez nadzora o Suradnja i procesiranje u mreži ( in-network processing ) > Pojedinačni senzorski čvorovi su limitirani u procesorskoj snazi, detekcijskog snazi i komunikacijskoj snazi. Stoga je nužno da mrežni čvorovi surađuju u svrhu ostvarivanja zajedničkog cilja.
> Pred-procesiranje prikupljnih podataka unutar mreže (umjesto na “sinkovima”) uvelike poboljšava efikasnost mreže
25
Kako ispuniti zahtjeve senzorskih čvorova?
o “Data-centric” umrežavanje > Kod dizajna mreže fokus se stvalja na podatak a ne na pojedinačne nodove (njihove adrese i identitete) o Fokus na lokalnu suradnju i rad ( in-network processing ) > Napravi što vise posla lokalno (odnosno u suradnji sa susjedima) > Povećana efikasnost o Balansiraj između različitih zahtjeva > Npr., balansiraj uloženu energiju za dobivanje nekog podatka i preciznost tog podatka (manja preciznost znači manju potrošnju energije -> dulji život mreže) > Kako, što i u kojoj mjeri balanisrati ovisi o konkretnoj aplikaciji
26
Zaključak
o Ad hoc i bežične senzorske mreže predstavljaju veliki izazov ali imaju i veliki potencijal o Potrebne su nove arhitekture i protokoli u usporedbi sa tradicionalnim žičenim i bežičnim mrežama o Ove mreže su specifične po tome što su vezane uz odgovarajuće konkretne aplikacije > WSNs su aplication-driven mreže > Za razliku od klasične mreža koje isključivo omogućavaju povezanost
27