Bežične Senzorske Mreže

Uvod u senzorske mreže

Mario Čagaljmario.cagalj@fesb.hr

FESB, 12/3/2014.

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, 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)

3

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)

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)

Internet

WiFi mreže: Centraliziran (infrastructure) način rada WiFi: Ad hoc način rada

5

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)

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 komunikacijski (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 nemoguća zbog udaljenosti,

prepreka, i dr. > Rješenje: multi-hop umrežavanje (multi-hop networking)

?

9

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 - MANETs)> 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)

10

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” (energy-efficient) mrežnim protokolima> Koristi multi-hop komunikaciju (umjesto direktne komunikacije

preko velikih distanci, npr. Prdβ > Prd1β + Prd2

β, sa d=d1+d2)

> Uzeti u obzir preostalu energiju baterija pri donošenju odluka o komunikacijskoj strategiji

11

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

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

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)

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 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

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

> Automobili kao senzorski uređaji

16

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)

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 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)

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?

> Analiza – teorija perkolacije (postoji kritična gustoća čvorova)

20

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

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

Gateway

Figures by Karl-Erik Årzén, Dan Henriksson, Anton Cervin et al.

C

C

22

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

23

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

24

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)

25

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

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 (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

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 > WSNs su aplication-driven mreže

> Za razliku od klasične mreža koje isključivo omogućavaju povezanost