1 Bežične Senzorske Mreže Uvod u senzorske mreže Mario Čagalj [email protected] FESB Sveučilište u Splitu 11/03/2011. no na “Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks”, Holger Karl, 2005.
Dec 31, 2015
1
Bežične Senzorske Mreže
Uvod u senzorske mreže
Mario Č[email protected]
FESB Sveučilište u Splitu
11/03/2011.
Bazirano na “Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks”, Holger Karl, 2005.
2
Motivacija
o Klasične bežične mreže bazirane su na “teškoj” infrastrukturi > Mobilni uređaji se spajaju bežičnim putem preko baznih
stanica (GSM) i pristupnih točaka (WiFi, WLAN) na (žičani) internet
> Uspostavljanje klasičnih mreža je potencijalno dugotrajan i skup proces (zahtjeva dosta planiranja)
IP Backbone
(routing infrastructure)
3
Motivacija
o Što možemo 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)
4
“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)
o Primjer iz WiFi mrežaInternet
Centraliziran (infrastructure) način rada Ad hoc način rada
5
Primjene ad hoc bežičnih mreža
o Oporavak od katastrofao 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 lavinao Personal Area Networks (PAN) (satovi, medicinski uređaji)
Roadside base station
Inter-vehicle communications
Vehicle-to-roadside communications
Emergency event
6
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 komuninikacijski (radio) domet (nepostojanje
“snažnih” baznih stanica)> Mobilnost mrežnih urežaja> Uređaji se napajaju putem baterija
7
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)
8
Ograničen komunikacijski domet
o U mnogim scenarijima nužna je komunikacija sa udaljenim uređajima (sa uređajima koji se nalaze van komunikacijskog dometa)> Direktna komunikacija nije moguća zbog udaljenosti,
prepreka, i dr. > Rješenje: multi-hop umrežavanje (multi-hop networking)
?
9
Mobilnost mreže
o U mnogim scenarijima sa ad hoc mrežama, korisnici 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 - MANETs)> Mobilnost mjenja odnose
između susjeda (dani uređaj gubi “stare” susjede a “dobiva” nove)
> Stoga se rute izmeđe pojedinih uređaja mjenjaju (potrebni adaptivni protokoli)
o Stvari se dodatno kompliciraju veličinom mreže> Teško je efikasno podržati komunikaciju (bez infrastrukture) u
velikim mobilnim mrežama
10
Mrežni uređaji su baterijski napajani
o Uređaji u ad hoc mrežama se često napajaju putem baterijao Cilj je ostvariti dug vijek
> Individulanih mrežnih uređaja > Kao i mreže u cjelini
o Potreba za “štedljivim” (energy-efficient) mrežnim protokolima> Koristi multi-hop komunikaciju (umjesto direktne komunikacije
preko velikih distanci, Prdβ > Prd1β + Prd2
β)
> Uzeti u obzir preostalu energiju baterija pri donošenju odluka o komunikaciji
11
Bežične senzorske mreže
o Wireless Sensor Network (WSN) spada u kategoriju ad hoc mreža
o U prethodnim primjerima uređaji ljudi su imali 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 odnosno utjecati na stanje okruženja
> Senzorski nodovi procesiraju informaciju i komuniciraju je bežičnim putem
12
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)
13
Primjene bežičnih senzorskih mreža
o Oporavak u slučaju katastrofa > Izbaci senzorske čvorove iz aviona preko
područja zahvaćenog 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 u tijeku ili nakon potresa)
14
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 i aktuatore 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 (FESB i Ericsson)> Nadzor starijih osoba i pacijenata
15
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 conditions
> Automobili kao senzorski uređaji
16
Osnovne uloge bežičnih senzorskih čvorova
o Izvorište podataka (data source): Mjeri neke vrijednosti i šalje ih obrađene ili u izvornom obliku 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 Aktuatori: Upravljaju nekakvim uređajem na osnovu podataka (obično se radi o “snik”-u)
17
Bežična senzorska mreža
18
Tipovi aplikacija WSNs
o Tipovi aplikacija kod WSNs su određeni obrascima interakcija između izvorišta i odredišta podataka> Detekcija događaja: Senzorski čvorovi lokalno detektiraju
događaje (u suradnji sa susjednim nodovima), te 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: Izvjesti odnosno prati poziciju detektiranog “uljeza” (objekta, osobe, životinje, vozila)
19
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?
0
1000
2000
3000
4000
5000
10 15 20 25 30 35 40
Maximum transmission range
Ave
rag
e si
ze o
f th
e la
rges
t co
mp
on
ent
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Pro
bab
ilit
y o
f co
nn
ecti
vity
Maximum component size Probability of connectivity
20
Kako postaviti senzorsku mrežu?
o Postoji nekoliko alternativa za postavljanje senzorskih čvorova u željeno okruženje > Unaprijed planirano (regularno) postavljanje -> Planirano
postavljanje (regular deployment)• Nije nužno da senzori prate nekakvu regularnu geometriju (geometrija
može biti određena raznim zahtjevima)• Realistična opcija kod “malih” i “skupih” senzorskih mreža
21
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
Figures by Karl-Erik Årzén, Dan Henriksson, Anton Cervin et al.
22
Održavanje senzorske mreže
o Je li uopće moguće održavati senzorske čvorove? Je li to upoće praktično?> Npr., da li mjenjati baterije? (što je sa velikim mrežama – 1000
senzorskih čvorova)> Trend je da senzorske mreže rade autonomno, bez nadzora > Ovo se posebno odnosi na one ad hoc misije (scenarije) – one
koje traju kratkoo Napajanje senzorskih čvorova?
> Imamo ograničen izvor energije od trenutka postavljanja senzorske mreže
> Je li moguć puniti baterije na senzorima (na jednostvanan način, bez intervencije čovjeka)
• Npr., solarne ćelije• Thermoharvester-Driven Wireless Sensor Node (by Micropelt)
Micropelt’s built-in chip thermogenerator takes a few degrees of temperature differential and harvests that thermal energy to operate the wireless sensor node, enabling unlimited battery-free operation.
23
Karakteristični zahtjevi WSNs u odnosu na druge mreže
o Tip usluge koju WSN pruža> WSN se ne koristi samo za prijenost “sirovih” bitova (kao Internet, WiFi,
celularna mreža)> WSN daje “odgovore” ne samo brojeve
o Kvaliteta usluge (Quality of Service - QoS)> Tradicionalne QoS metrike (propusnost – Mbps, kašnjenje i sl) nisu uvijek
važne> Generalno, 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 jeftinih 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 dovesti do “smrti” cijele mreže
24
Karakteristični zahtjevi WSNs u odnosu na druge mreže
o Skalabilnost (scalability)> 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), moraju raditi self-monitoring
> WSN mreža također mora imati mogućnost prihvaćati novo postvaljene senzorske čvorove (sigurnost)
25
Kako ispuniti zahtjeve senzorskih čvorova?
o Multi-hop bežična komunikacijao “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 prikpljnih podataka unutar mreže (umjesto na “sinkovima”) uvelike poboljšava efikasnost mreže
26
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 > 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
27
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 (aplication-driven networks)> Za razliku od tradicionalnih mreža koje isključivo
omogućavaju povezanost