Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Ewa Niewiadomska-Szynkiewicz Instytut Automatyki i Informatyki Stosowanej Politechnika Warszawska Naukowa i Akademicka Sieć Komputerowa(NASK) Seminarium Zielona Góra 22 listopada 2010

Wprowadzenie - sieci ad hoc sieci bezprzewodowych czujników (WSN) Plan prezentacji Wprowadzenie - sieci ad hoc sieci bezprzewodowych czujników (WSN) sieci urządzeń mobilnych (MANET) Projektowanie i zarządzanie siecią ad hoc Pozycjonowanie węzłów w sieciach WSN Zarządzanie transmisją (transmisja energooszczędna) Modelowanie mobilności węzłów w sieciach MANET Symulatory sieci jako narzędzia wspierające projektowanie i zarządzanie sieciami ad hoc Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Sieć bezprzewodowa o zdecentralizowanej strukturze. Sieć ad hoc Sieć bezprzewodowa o zdecentralizowanej strukturze. Składa się z węzłów, które autonomicznie organizują się w sieć. Nie jest wymagane istnienie zewnętrznej infrastruktury sieciowej do przekazywania danych – nie występują punkty zarządzające. Sieć heterogeniczna - może składać się z różnego typu urządzeń. Nie jest zazwyczaj możliwa bezpośrednia łączność pomiędzy każdą parą węzłów (transmisja multi-hop). Węzły sieci mogą się przemieszczać w przestrzeni. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Bezprzewodowe sieci sensorów Bezprzewodowa sieć sensorów (Wireless Sensor Network – WSN) tworzona jest najczęściej w trybie ad-hoc, przez niewielkich rozmiarów urządzenia, stanowiące węzły sieci gęsto rozmieszczone na dużym obszarze. Zazwyczaj sieć stacjonarna lub quasi-stacjonarna. Schemat komunikacji wiele-do-jednego – sensory przesyłają dane do wyróżnionych węzłów odpowiedzialnych za przekazanie tych informacji do operatora sieci. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Na architekturę węzła składają się: interfejs radiowy mikroprocesor Architektura węzła Na architekturę węzła składają się: interfejs radiowy mikroprocesor pamięć źródło zasilania odpowiednie czujniki np. oświetlenia, wilgotności itd. Stosowane protokoły komunikacyjne: IEEE 802.11 IEEE 802.15.1 (Bluetooth) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Mobilna sieć ad hoc MANET (ang. Mobile Ad-hoc Network) Sieć mobilna (MANET) Mobilna sieć ad hoc MANET (ang. Mobile Ad-hoc Network) Tworzą ją samoorganizujące się mobilne urządzenia komunikacji bezprzewodowej, które pełnią jednocześnie funkcje terminali oraz ruterów. Każde urządzenie może wykonywać zadania oraz uczestniczyć w przekazywaniu danych do odbiorców (w jego zasięgu). Węzły sieci mogą się przemieszczać w przestrzeni w miarę upływu czasu. Nie jest zazwyczaj możliwa bezpośrednia łączność pomiędzy każdą parą węzłów. Do komunikacji nie jest wymagane istnienie żadnej infrastruktury sieciowej, nie ma punktów centralnych zarządzających siecią, żadne urządzenie nie ma ściśle określonego położenia w przestrzeni. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Ograniczenia w sieciach ad hoc ekonomiczne: sensory mają być tanie w produkcji techniczne: jedyne dostępne zasilanie - baterie / ogniwa PV źródło zasilania ograniczony czas pracy sieć niska jakość łączy (zmienna się w czasie), ograniczona przepustowość interfejs radiowy niewielki zasięg komunikacji mikroprocesor ograniczone możliwości przetwarzania pamięć brak możliwości agregacji danych z dłuższego okresu topologia dynamiczne zmiany Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Projektowanie sieci ad hoc Wstępne oszacowanie liczby węzłów sieci przy założonej dopuszczalnej mocy nadajnika radiowego i możliwości sterowania mocą sygnału Wybranie odpowiedniego protokołu komunikacji, przy ustalonym kryterium działania sieci (maksymalizacja czasu funkcjonowania węzłów, przepływności itp.). Pozycjonowanie węzłów w sieci ad hoc. Planowanie ruchu w przestrzeni (sieci MANET). Proces projektowania wspierany przez symulację komputerową Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Pozycjonowanie węzłów Cel: Optymalne (względem przyjętej metryki) rozmieszczenie węzłów, które zagwarantuje dostarczenie wszystkich zebranych i przesyłanych danych do stacji bazowej ROZMIESZCZENIE Cel: Wyznaczenie estymat współrzędnych położenia węzłów LOKALIZACJA Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

E. Niewiadomska-Szynkiewicz, Michał Marks Lokalizacja węzłów w bezprzewodowych sieciach sensorów Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Jak pozyskać informację o lokalizacji? Informacje o lokalizacji można uzyskać: zapisując informacje w trakcie rozmieszczania węzłów poprzez wyposażenie węzłów w system GPS niemożliwe „tanie” rozmieszczenie węzłów np. z samolotu metoda jest nieodporna na przemieszczanie się węzłów rozwiązanie bardzo kosztowne (rozmiar sieci to tysiące węzłów) duży pobór energii ograniczone zastosowanie wewnątrz pomieszczeń duży rozmiar odbiorników Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Lokalizacja węzłów bazowych - algorytmy Algorytmy przetwarzających uzyskane dane w estymaty położenia węzłów. algorytmy single-hop algorytmy multi-hop – wykorzystują dane o połączeniach APS - Ad Hoc Positioning System [D. Niculescu and B. Nath] SDP - Convex position estimation in wireless sensor networks [L. Doherty, K. Pister, L. El Ghaoui] MDS - Localization from Connectivity in Sensor Networks [Y. Shang, W. Ruml, Y. Zhang] algorytmy multi-hop - wykorzystują dane o odległościach Semidefinite programming for ad hoc wireless sensor network localization [P. Biswas and Y. Ye] Simulated Annealing based localization in Wireless Sensor Network [A. Kannan, G. Mao, B. Vucetic] Two-phase Stochastic Optimization to Sensor Network Localization [M. Marks, E. Niewiadomska-Szynkiewicz] Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

technik analizujących propagację sygnałów radiowych Estymacja odległości Ustalenie położenia węzłów jest procesem złożonym, wymagającym wykorzystania: technik analizujących propagację sygnałów radiowych pomiary kątów odbieranych sygnałów (AoA) pomiary sygnałów radiowych RSSI (Received Signal Strength Indicator) ToA (Time of Arrival) TDoA (Time-Difference of Arrival) algorytmów przetwarzających uzyskane dane w estymaty położenia węzłów Wireless sensor network localization is a complex problem that can be solved in different ways. Generally, the proposed solutions are based on signal processing and algorithms transforming measurements into the coordinates of the nodes in the network. The signal processing techniques we can divide into angle and distance related. All this measurements are commonly known. In the first group there is Angle of Arrival method, in the second: Received Signal Strength, Time of Arrival or Time Difference of Arrival. Generally it is widely assumed that TDoA is more accurate than RSS, but RSS can be used without any additional equipment dedicated to acoustic signal measuring. ToA (Time of Arrival) and TDoA (Time- Difference of Arrival) techniques measure distance between nodes using signal propagation time. Using the ToA technique, nodes transmit a signal to their neighbours at a predefined velocity and wait for answers. Their neighbours, in turn, send a signal back to them. Inter-node distance is computed measuring the difference between sending and receiving times (round trip approach) In TDoA method, inter-node distance measurements require the nodes transmitting two signals, which travel at different velocities, to their neighbours. Usually, distance is calculated based on the difference in propagation times of radio and acoustic signals originated at the same point . Sender and receiver synchronize their clocks. Then, the sender broadcasts a radio message followed by an acoustic signal (chirp). Each node that detects the chirp, computes the difference between both signals arrival times and, consequently, the distance. AoA (Angle of Arrival) measurement techniques, also known as DoA (Direction of Arrival), can be divided into two subclasses. Those techniques making use of the receiver antenna’s amplitude and those making use of the receiver antenna’s phase response [22]. The accuracy of AoA measurements is limited by the directivity of the antenna, by shadowing effect and by multipath reflections. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Zadanie lokalizacji wykorzystujące miarę odległości Rozważmy następującą sieć sensorów (M + N węzłów): M – liczba węzłów bazowych N – liczba węzłów niebazowych (poszukiwanych) - węzły bazowe - węzły poszukiwane Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Odległości między węzłami Proces lokalizacji Proces lokalizacji – od pomiaru sygnałów do położenia węzłów Pomiary RSSI 1) Etap kalibracji Odległości między węzłami 2) Etap lokalizacji Współrzędne węzłów Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Modelowanie propagacji sygnałów radiowych Średnia moc odbieranych sygnałów zanika logarytmicznie wraz ze wzrostem odległości. Średnia utrata mocy sygnału (ang. path loss) może być wyrażona jako funkcja odległości: – odległość pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem – odległość referencyjna (zazwyczaj 1m) – współczynnik zanikania sygnału (zależny od środowiska) We know the function we have to optimize, but there is still one open question: How can we obtain the distances between nodes? We can use RSS measurements but then we have to transform this measurements into distances. In order to do that we can use the propagation model that predict the mean signal strength for an arbitrary transmitter-receiver separation distance, which is called large-scale propagation model. Siła odbieranego sygnału Pr w odległości d wynosi: – moc nadajnika Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Etap kalibracji – zbiór trenujący Slide 17 Dla każdej pary węzłów bazowych (i, j), które są w zasięgu komunikacji mierzymy siłę odbiera-nych sygnałów . Otrzymujemy zbiór par: Model propagacji sygnałów radiowych pozwala nam na określenie odległości pomiędzy nadawcą a odbiorcą, o ile znamy siłę odbieranych sygnałów. rzeczywista odległość między węzłami i oraz j - węzły bazowe - węzły poszukiwane Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Etap kalibracji – wyznaczenie odległości Średnia odległość między węzłami i oraz j jako funkcja siły odbieranych sygnałów. const uproszczenie estymowana odległość między węzłami i oraz j Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Etap kalibracji – optymalizacja Slide 19 Cel: Wyznaczenie wartości parametrów a i b Dostępne dane: Zbiór par – RSSI, odległość Funkcja celu : Do wyznaczenia wartości parametrów a i b (gwarantujcych minimalny błąd między pomiarami odległości a ich estymatami) użyta została metoda najmniejszych kwadratów: Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Sformułowanie zadania optymalizacji Cel: Wyznaczenie położenia N węzłów Dostępne dane: Macierz odległości pomiędzy węzłami Położenie węzłów bazowych Ograniczenia: W zadaniu występują nierównościowe ograniczenia wynikające z sąsiedztwa węzłów. Our goal is to estimate the coordinates of non-anchor nodes, based on measurements of distances between nodes D. Ni i (zbiór sąsiadów) dla – zasięg transmisji Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Sformułowanie zadania optymalizacji dla SDP Zadanie formułowane przy użyciu estymaty współrzędnych węzłów oraz ich odległości od węzłów sąsiednich. Funkcja celu JSDP reprezentuje ilościową miarę jakości estymacji współrzędnych węzłów. The considered performance measure is quantitative measure of „goodness” of coordinates estimation. Let us formulate the optimization problem with the performance measure considering estimated and measured Euclidean distances of all neighbor nodes, where xHAT and yHAT are estimated coordinates of non anchor nodes that should be calculated. – błąd w oszacowaniu położenia węzłów i i j – estymaty współrzędnych położenia węzłów i i j – zmierzona minimalna i maksymalna odległość między parą (i,j) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Sformułowanie zadania dla optymalizacji stochastycznej Funkcja celu: gdzie: – znane położenie węzła bazowego k – estymaty położenia węzłów i oraz j – zbiór sąsiadów węzła bazowego k – zbiór sąsiadów węzła niebazowego i – zmierzona odległość pomiędzy parą węzłów (k,j) – zmierzona odległość pomiędzy parą węzłów (i,j) The considered performance measure is quantitative measure of „goodness” of coordinates estimation. Let us formulate the optimization problem with the performance measure considering estimated and measured Euclidean distances of all neighbor nodes, where xHAT and yHAT are estimated coordinates of non anchor nodes that should be calculated. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Dwufazowa metoda lokalizacji TSA Etap lokalizacji Dwufazowa metoda lokalizacji TSA Działanie algorytmu składa się z dwóch faz: Faza I Wyznaczenie rozwiązania początkowego za pomocą metody trilateracji Faza II Iteracyjne poprawianie rozwiązania pierwszej fazy poprzez zastosowanie optymalizacji stochastycznej Dodatkowa operacja: korekta położenia węzłów naruszających największą liczbę ograniczeń We propose two phase localization method based on distance measurement and multi-hop. The algorithm operates in two phases. In the first phase the initial localization is produced. The solution of the first phase is modified, in second phase, by applying simulated annealing method. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Etap lokalizacji - zakończenie I fazy Na koniec I fazy otrzymujemy wstępną lokalizację węzłów, która jest dalej poprawiana w II fazie - węzły bazowe węzły poszukiwane - poprawna lokalizacja - estymata położenia Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Etap lokalizacji – faza II T = temperatura początkowa Δd = początkowa odległość WHILE (T > temparatura_koncowa) { FOR i = 1 to P * (N - M) wybierz modyfikowany węzeł modyfikuj wybrany punkt wyznacz zmianę wartości funkcji celu ΔCF IF (ΔCF <= 0) akceptuj zmodyfikowany węzeł ELSE wylosuj rp = uniform(0,1) IF ( rp <= exp(- ΔCF/T)) odrzuć modyfikację } TNEW = α * TOLD ΔdNEW = β * ΔdOLD Operacja przesunięcia Wykonywane jest przesunięcie węzła w wybranym losowo kierunku o odległość Δd (odległość przesunięcia jest zmniejszana wraz ze spadkiem temperatury) Schemat schładzania Geometryczny: TNEW = α * TOLD Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Etap lokalizacji - operacja korekty odbitych punktów Przeprowadzone doświadczenia wykazały, że całkowity błąd lokalizacji najczęściej jest skutkiem błędnej lokalizacji pojedynczych węzłów, które w wyniku "odbicia" zostały błędnie zlokalizowane. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Eksperymenty symulacyjne – generowanie topologii sieci Modele sieci zostały utworzone za pomocą narzędzia Link Layer Model for MATLAB (M. Zuniga, B. Krishnamachari) Parameter Value PATH_LOSS_EXPONENT 3.2 SHADOWING_STANDARD_DEVIATION 2.8 PL_D0 35.0 dB D0 1.0 m OUTPUT_POWER 0.0 dBm NOISE_FLOOR -105.0 dBm ASYMMETRY 0 (NO) TERRAIN_DIMENSIONS_X 1000.0 m TERRAIN_DIMENSIONS_Y NUMBER_OF_NODES 200 TOPOLOGY 3 (RANDOM) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Eksperymenty symulacyjne – ocena etapu lokalizacji Ocena dokładności lokalizacji (location error) wyrażona w procentach, normalizowana przez zasięg transmisji r To assess the performance of the tested algorithms we used the mean error between the computed and the real location of the nodes in the network, defined as follows where r is radio range. The location error is expressed as a percentage error. gdzie: – rzeczywiste położenie węzła i w sieci – estymowane położenie węzła i w sieci – zasięg transmisji Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Rozmieszczenie węzłów bazowych Węzły bazowe równomiernie rozmieszczone Metoda dwufazowa TSA W następnych eksperymentach badano odporność obu metod, tj. dwufazowej i SDP na rozlokowanie węzłów bazowych. Analizowano przypadki równomiernego i nierównomiernego ich rozłożenia. W przypadku równomiernego rozmieszczenia węzłów bazowych w całym zbiorze dopuszczalnym (wykonane testy wskazują, że dla metody SDP istotne jest, aby węzły bazowe znajdowały się blisko granicy obszaru dopuszczalnego) jakość rozwiązań uzyskanych obydwoma metodami jest porównywalna Błąd lokalizacji: 0.14 Czas obliczeń: 2.00 s Błąd lokalizacji: 1.32 Czas obliczeń: 17.00 s Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Rozmieszczenie węzłów bazowych #2 Węzły bazowe nierównomiernie rozmieszczone Metoda dwufazowa TSA Wpływ nierównomiernego rozłożenia węzłów bazowych przedstawiono na rys. \ref{rn_rys2}. W przypadku a) węzły bazowe zostały rozlokowane jedynie w górnej połówce obszaru dopuszczalnego, w przypadkach b) i c) tylko w jednej ćwiartce. Jeżeli rozkład pozostałych węzłów jest równomierny (przypadki a) i b)) metodą symulowanego wyżarzania można uzyskać zadowalające rezultaty. W przypadku c), gdy węzły są skoncentrowane w dwóch ćwiartkach lokalizacja jest bardzo niedokładna. Związane jest to z definicją funkcji celu (\ref{cost_function}), w której liczone są wszystkie różnice estymowanych i rzeczywistych odległości międzywęzłowych. Każda różnica odległości uwzględniana jest z identyczną wagą. Wobec tego dla węzłów niebazowych silnie skoncentrowanych w pewnym obszarze znaczenie mają przede wszystkim odległości wewnątrz tej grupy, ponieważ ich jest wiele. Znaczenie połączeń pomiędzy węzłami zlokalizowanymi, a węzłami z tego obszaru jest marginalne z punktu widzenia sumarycznego błędu lokalizacji. Rozwiązaniem tego problemu może być zwiększenie zasięgu transmisji (np. zmiana z 0.18 na 0.28 powoduje ograniczenie błędu lokalizacji do kilku procent). Błąd lokalizacji: 0.24 Czas obliczeń: 2.00 s Błąd lokalizacji: 98.34 Czas obliczeń: 9.50 s Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Rozmieszczenie węzłów bazowych #3 Węzły bazowe nierównomiernie rozmieszczone Metoda dwufazowa TSA Opracowana dwufazowa metoda lokalizacji odznacza się małą propagacją zaburzeń, dużą odpornością na nierównomierny rozkład węzłów bazowych i zakłócenia. Błędy lokalizacji (metoda TSA) nie przekraczają 3% Błąd lokalizacji: 7.34 Czas obliczeń: 2.00 s Błąd lokalizacji: 147.44 Czas obliczeń: 15.00 s Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Zarządzanie transmisją w sieciach ad hoc Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Projektowanie energooszczędnych sieci ad hoc Projektowanie sieci ze zwróceniem szczególnej uwagi na efektywne wykorzystanie zasobów energetycznych węzłów Sterowanie topologią (Topology Control TC) Metody oszczędzania energii (Power Save PS) Techniki zakładające podział sieci na mniejsze podsieci (klasteryzacja) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Sterowanie topologią Moc wymagana do przesłania komunikatu pomiędzy dwoma węzłami jest proporcjonalna do odległości pomiędzy nimi. W sieci pożądane są krótkie transmisje, które wymagają mniejszego zużycia energii. B A C Zakłada się, że węzeł ma wpływ na moc wykorzystywaną do przesłania komunikatu. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Sterowanie topologią a model OSI Ruting OSI – warstwa sieciowa Wywołanie protokołów TC Aktualizacja rutingu Sterowanie topologią Wywołanie Protokołu TC Moc transmisji Protokół MAC OSI – Open Systems Interconnection Reference Model Protokoły TC wyznaczają listę sąsiadów, z którymi dany węzeł może się łączyć. Graf połączeń węzła jest przekazywany do położonej wyżej warstwy rutingu (Rys. 2.1.), która korzysta z tych informacji podczas wyznaczania ścieżki od nadawcy do odbiorcy. Jeżeli nastąpią zmiany w liście najbliższych sąsiadów np. w wyniku dołączenia bądź odłączenia węzła, aktualizowane są też możliwe trasy przesyłania pakietów. Zmiany dotyczą całej sieci, a nie tylko wybranych węzłów. Aktualizacja listy sąsiadów jednego węzła może mieć wpływ na ustalone dotąd ścieżki przesyłania pakietów nawet do bardzo odległych węzłów. Stąd globalna zmiana ścieżek rutingu przez warstwę TC jest bardziej wydajna niż aktualizacja osobno każdej ścieżki przez warstwę rutingu. Zaletą takiego rozwiązania jest zmniejszenie liczby utraconych pakietów. Warstwa rutingu inicjuje działanie protokołu topologii wtedy, kiedy wiele ścieżek zostało utraconych na skutek zmian, które zaszły w sieci od momentu poprzedniej aktualizacji sieci stanowiącej wynik działania algorytmów TC. OSI – warstwa łącza danych Zadanie algorytmów TC – przypisanie każdemu węzłowi poziomu mocy wykorzystywanego do nadawania komunikatu, tak aby minimalizować energię zachowując spójność sieci. Ruting – wybór ścieżek w zależności od zasobów energetycznych węzłów. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Protokoły wykorzystujące dane o położeniu węzłów (Location-based TC) Wybrane protokołów Protokoły wykorzystujące dane o położeniu węzłów (Location-based TC) R&M [Rodoplu i Meng] LMST (Local Minimum Spanning Tree) [Li, Wang, Song] Protokoły wykorzystujące kierunek położenia sąsiadów (Direction-based TC) CBTC (Cone-based Topology Control) [Li and Wattenhofer] DistRNG [Borbash and Jennings] Protokoły wykorzystujące węzły sąsiednie (Neighbor-based TC) KNeight (K-neighbors graph) [Xue i Kumar] XTC [Wattenhofer i Zollinger Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Topologie dla różnych protokołów (węzły MICA2) Wyłączone TC Protokół R&M Protokół LMST Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Zużycie energii – różne protokoły TC Zużycie energii – transmisja do stacji bazowej rm – protokół R&M lmst0 – protokół LMST (dopuszczalne łącza jednokierunkowe) lmst1 – protokół (tylko łącza dwukierunkowe) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Metody oszczędzania energii (Power Save) Odbiornik radiowy w węźle może działać w jednym z czterech trybów, różniących się zużyciem energii: nadawanie – nadawany jest sygnał do innych węzłów (największe zużycie energii), odbiór – odbierany jest komunikat od innego węzła (średnie zużycie energii), czuwanie – odbiornik nie wykonuje żadnej operacji, jest włączony i gotowy do przejścia w stan nadawania lub odbierania danych (małe zużycie energii), uśpienie – odbiornik radiowy jest wyłączony. Protokoły PS wymuszają ograniczanie użycia energii przez wprowadzanie odbiornika w stan uśpienia. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Wybrane protokoły Power Save (PS) Zasada działania protokołów PS Węzły okresowo budzą się i wymieniają dane Cykle uśpienia węzłów muszą być synchronizowane Czas trwania fazy uśpienia musi być odpowiednio dobrany Wybrane protokoły PS: SPAN [Chen, Jamieson, Balakrishnan, Morris] wybór (elekcja) węzłów-koordynatorów znajdujących się w stanie aktywnym (przechowujących dane dla uśpionych węzłów) GAF [Heidemann, Xu, Estrin] znajomość położenia geograficznego, klasteryzacja, węzły równoważne CPS (Coordinated Power Save) [Kwaśniewski, Niewiadomska-Szynkiewicz] znajomość położenia geograficznego, klasteryzacja, koordynacja periodyczna. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

E. Niewiadomska-Szynkiewicz, Andrzej Sikora Modelowanie ruchu węzłów mobilnych sieci ad hoc Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Różne podejścia do modelowania ruchu węzłów (modele mobilności) Modelowanie ruchu Różne podejścia do modelowania ruchu węzłów (modele mobilności) Modele losowe „Random-motion model” Każdy węzeł losuje z rozkładu jednostajnego kierunek przemieszczania się i szybkość ruchu – następnie przemieszcza się w wyznaczonym kierunku. Modele deterministyczne „Map-based mobility models” Węzły poruszają się tylko po ściśle wyznaczonych trasach (np. drogach zaznaczonych na mapie). Modele wykorzystujące funkcję potencjału Ruch obiektu jest opisany przez funkcję potencjału. Cel przyciąga obiekt, przeszkoda odpycha. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Autorski model wykorzystujący funkcję potencjału Wymagania: uzyskanie zbliżonej do naturalnej charakterystyki ruchu obiektów, (np. zwalnianie przy zmianie kierunku ruchu lub przy zbliżaniu sie do celu), wydajna i uniwersalna strategia nawigacji (omijanie przeszkód, dotarcie do celu lub ucieczka przed zagrożeniem), różne charakterystyki ruchu obiektów mobilnych różnego typu Inspiracja – funkcja potencjału oddziaływań między molekułami opracowana przez Lennard Jones. Projektując sieć lub planując jej działanie konieczne jest przeprowadzenie badań weryfikujących proponowane rozwiązania. Uzyskanie wiarygodnych wyników symulacji sieci ad-hoc wymaga zastosowania bliskich rzeczywistości i zweryfikowanych modeli mobilności urządzeń. Istotne jest, że w sytuacjach rzeczywistych sposób poruszania się urządzenia mobilnego zależy od wielu czynników, takich jak ukształtowanie terenu i przeszkody, liczba innych poruszających się obiektów, konieczność współdziałania węzłów itp. W literaturze przedstawiono wiele prostych modeli. Niestety stosowane powszechnie modele (np. w sieciach komórkowych) nie odpowiadają charakterystyce przemieszczania użytkowników typowej sieci ad-hoc. Powodem jest brak stałej infrastruktury sieciowej, konieczność pośredniczenia w komunikacji międzywęzłowej czy też wymaganie pracy grupowej. Wymusza to często konieczność zmiany pozycji urządzenia w celu utrzymania komunikacji z pozostałymi węzłami sieci – trajektorie ruchu obiektów muszą są ściśle skorelowane. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

E. Niewiadomska-Szynkiewicz, Andrzej Sikora Symulacja w zadaniach projektowania i zarządzania sieciami ad hoc SYMULATORY Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Symulatory sieci bezprzewodowych Symulatory sieci przewodowych i bezprzewodowych OPNET http://www.opnet.com wspiera symulację rozproszoną, najbardziej popularny, C i Fortran (komercyjny) NS-2 [projekt VINT] http://www.isi.edu/nsnam/ns najczęściej stosowany w ośrodkach badawczych, C++ i OTcl (dostępne źródła) OMNET++ [A. Varga] http://www.omnetpp.org wygodny interfejs graficzny, symulacja rozproszona, C++ (dostępne źródła) GloMoSim [Univ. of California] http://pcl.cs.ucla.edu.projects/glomosim/ symulacja dużych sieci bezprzewodowych, C (dostępne źródła) QualNet [Scalable Network Technologies] http://www.scalable-networks.com rozszerzona wersja GloMoSim, C (komercyjna) NCTUns http://www.nsl10.csie.nctu.edu.tw symulator i emulator sieci bezprzewodowych (dostępne źródła) Symulatory sieci bezprzewodowych czujników SENSE [Szymański i Chen, Rensselaer Polytechnic Institute] SEnsor Network Simulator and Emulator, C++ (dostępne źródła) SWAN http://www.eg.bucknell.edu/swan/doc/ wykorzystuje bibliotekę JiST (Java in Simulation Time) (dostępne źródła) VANS [Osaka University] rozbudowane GUI, Java (dostępne źródła) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

MobAsim: autorski symulator sieci WSN i MANET Modelowanie sieci Transmisja bezprzewodowa, Mobliność węzłów, Modelowanie terenu (SVG lub GIS). Zapis modelu i gromadzonych wyników symulacji w wbudowanej bazie danych SQL. Zarządzanie rozproszoną federacją symulatorów. Generowanie animacji zgodnych z standardem SVG (Scalable Vector Graphics). Symulacja sieci Biblioteka synchronizacji obliczeń Biblioteka komunikacji pomiędzy symulatorami sfederowanymi. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Architektura MobAsim - federacja symulatorów RTI Simulator 1 Domain C Domain C/1 LP C/2 Domain C/1/1 LP C/1/1/2 LP C/1/1/1 LP C/1/1/2/1 Domain B LP B/1 LP B/2 LP B/3 LP C/1/1/2/2 LP C/1/1/2/3 Simulator 2 RTI – network connection Local memory Hierarchy Interconnectivity Symulowana sieć podzielona na kilka podsieci. Każda podsieć symulowana przez odpowiedni proces obliczeniowy. Hierarchiczna struktura symulatora – trzy poziomy hierarchii. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Interfejs graficzny symulatora Przykład symulacji: akcja ratunkowa Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Symulacja 10 godzin działania sieci WSN System komputerowy Test AMD Sempron 1,67 GHz, 512 MB RAM Intel Core2 Duo T7500, 2,2 GHz, 2038 MB RAM AMD Athlon-M 1,2 GHz, 512 MB RAM E1 X E2 E3 Wyniki symulacji: przyspieszenie obliczeń Czas obliczeń [s] Przyspieszenie E1 (sekwencyjna) 155 - E2 (równoległa) 58 2.67 E3 (rozproszona) 44 3.52 Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Symulacja sieci MANET (akcja ratunkowa) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Podsumowanie - dalsze prace Budowa laboratorium sieci ad hoc w IAIS PW w ramach istniejącego Laboratorium Robotyki. Wyposażenie (stan aktualny): roboty mobilne, zestaw 24 sensorów MicaZ 2.4GHz firmy Crossobow, 6 kompatybilnych stacji bazowych i oprogramowanie czujników. Kolejny etap prac badawczych: Implementacja dostępnych i autorskich algorytmów lokalizacji, energooszczędnej transmisji, modeli mobilności w sieci laboratoryjnej. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010

Dziękuję za uwagę Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Zielona Góra 2010