Bezvadu sensoru tīkli
Bezvadu sakaru realitāte
Leo Seļāvo Latvijas Universitāte
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 2
Motivācija
n Būtiskas pazīmes, kas norāda radio pārraides neregularitātes fiziskā vidē q Teorētiski norādījumi q Praktiski (empīriski novērojumi)
n Bet daudz risinājumu pieņem, ka radio raidījuma attālums pielīdzināms riņķa līnijai
n Tāpēc nepieciešami: q Simulācijas rīki, kas ņem vērā radio realitāti q Labāki protokoli, lai ņemtu vērā raidījuma neregularitāti
n Ir izstrādāti teorētiski protokoli kas nestrāda praksē kļūdaino pieņēmumu dēļ
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 3
Piemērs
AC
D
Bbeacon
Xdata
beacon
data
beacon data
AB = AC = AD (vienāda distance). Radio pārklājums var mainīties laikā!
Neregulārs attālums no A
A un B ir asimetriski
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 4
Pārskats
n Radio enerģijas modelis, kas ņem vērā parklājuma neregularitāti un ko var lietot simulatori
n Neregularitātes ietekme uz: q MAC līmeni q Maršrutizācijas līmeni q Citiem protokoliem (lokalizācija, topoloģijas
kontrole) n Risinājumi, kas ņem vērā neregularitāti
q Netieši q Tieši
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 5
Antenu tipi
n A: Pus-viļņa dipols (visefektīvākā pārraide) n B: Ceturdaļ-viļņa vertikālā antena
A: B:
Izstarošanas lauks Izstarošanas lauks
Perfekta izotropiska antena – visos virzienos darbojas vienādi
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 6
Ierobežojumi bez šķēršļiem
n Line of sight – raidījums bez fiziskiem šķēršļiem tā ceļā
n Vājinājums (attenuation) q Signāla stiprums samazinās, palielinoties attālumam q Vājinājums ir lielāks augstākās frekvencēs q Signāla stiprumu jāvar izmērīt ar elektronisku iekārtu,
un tai jābūt virs trokšņu līmeņa n Brīvās telpas zudumi (free space loss)
q Attiecība: n Raidītā signāla enerģija pret n Enerģiju ko saņem uztvērējs
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 7
Ierobežojumi bez šķēršļiem
n Troksnis q Termālais q Interference q Impulss (piem. zibens)
n Atmosfēras absorbcija q Tvaiks un skābeklis ietekmē signāla vājinājumu
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 8
Ierobežojumi
n Daudz – ceļu (multipath) q Reflekcija – signāls, kas atstarojas no objektiem
nonāk galamērķī vēlāk nekā oriģinālais signāls, kas ceļo pa taisni
q Difrakcija – notiek pie malām un izskatās pēc jauna signāla avota (signāls var tikt saņemts pat tad, ja nav brīva ceļa pa taisni no raidītāja uz uztvērēju)
q Izkliede – ja šķēršļa izmēri ir samērojami ar viļņa garumu
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 9
Kopsavilkums: neregulāra pārklājuma cēloņi
n Iekārtas q Antenas tips (virziena darbības, vienmērīgas darbības) q Raidītā enerģija (nelineāra) q Antenas pastiprinājums q Uztvērēja jūtība (iekārtas)
n Vide q Vides tips (gaiss, ūdens) q Fona troksnis q Temperatūra, mitrums q Šķēršļi q Lietus
n Bet kā tas attiecas uz BST iekārtām?
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 10
Reāli mērījumi – radio signāls n Ne-izotropiska ceļa zudumi: Radio signālam no raidītāja ir dažādi
zudumi atkarībā no virziena.
-‐65-‐64-‐63-‐62-‐61-‐60-‐59-‐58-‐57-‐56-‐55
0 25 50 75
B e a c o n S e qN o
S outh No rthWes t E as t
Signāla stiprums atkarībā no laika četros virzienos
(RSSI = Received Signal Strength Indicator)
RS
SI (
dBm
)
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 11
Ne-izotropiska ceļa zudumi
Signāla stiprums dažādos virzienos
-‐60
-‐58
-‐56
-‐54
-‐52
-‐50
1 48 95 142 189 236 283 330
D ire c tio n in D e g re e ( 10 fe e t)
-‐65
-‐60
-‐55
-‐50
-‐45
0 41 82 122 163 204 245 285 326
D ire c tio n in D e g re e ( 2 0 fe e t)
n Iemesli: q Reflekcija, difrakcija un izkliede vidē q Aparatūras kalibrācija (ne-izotropisks antenas pastiprinājums)
Virziens grādos (3 metri) Virziens grādos (6 metri)
RS
SI (
dBm
)
RS
SI (
dBm
)
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 12
Radio signāla īpašības n Nepārtrauktas izmaiņas: Signāla ceļa zudumi nepārtraukti mainās
dažādos virzienos no raidītāja.
-‐60
-‐58
-‐56
-‐54
-‐52
-‐50
1 48 95 142 189 236 283 330
D ire c tio n in D e g re e ( 10 fe e t)
-‐65
-‐60
-‐55
-‐50
-‐45
0 41 82 122 163 204 245 285 326
D ire c tio n in D e g re e ( 2 0 fe e t)Virziens grādos (3 metri) Virziens grādos (6 metri)
Signāla stiprums dažādos virzienos
RS
SI (
dBm
)
RS
SI (
dBm
)
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 13
Radio signāla īpašības n Heterogenitate: Dažādiem mezgliem ir atšķirīgi sūtīšanas
pārklājumi
-‐60
-‐59 .5
-‐59
-‐58 .5
-‐58
-‐57.5
-‐57
0 25 50 75
B e a c o n S e qN o
1.58V 1.4V1.32V 1.18V
(a) Viens modulis ar dažādu baterijas stāvokli
-‐60-‐59 .5-‐59
-‐58 .5-‐58
-‐57.5-‐57
-‐56 .5-‐56
-‐55.5-‐55
0 25 50 75
B e a c o n S e qN o
Mote A Mote BMote C Mote D
(b) Dažādi moduļi ar vienādu baterijas tāvokli
n Iemesli q Atšķirīga aparatūras kalibrācija un elektronikas komponentes
RS
SI (
dBm
)
RS
SI (
dBm
)
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 14
RIM – Radio neregularitātes modelis n Neregularitātes raksturojums - Degree of Irregularity (DOI):
q Definīcija: maksimālā uztvertā signāla stipruma procentuālā vērtības variēšana uz raidījuma leņķa vienības izmaiņu.
q Ņem vērā ne-izotropiskus ceļa zaudējumus
DOI = 0 DOI = 0.003 DOI = 0.01
Neregularitātes raksturojums (DOI)
Max attālums
Min attālums
Patiesais attālums šim modulim
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 15
RIM - VSP n Raidītāja jaudas maiņa - Variance of Sending Power (VSP):
q Definīcija: maksimālās signāla raidītās jaudas procentuālās izmaiņas starp dažādām iekārtām.
q Ņem vērā heterogēnu sūtījuma jaudu
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 16
RIM – formula
Signal receiving power = signal sending power - path loss + fading
Signal receiving power = signal sending power – DOI adjusted path loss + fading
DOI adjusted path loss = path loss* KD
Signal receiving power = VSP adjusted signal sending power – DOI adjusted path loss + fading
VSP adjusted signal sending power =
onDistributi Normal RandomNum WhereVSP)*RandomNum (1 *power sending signal
∈
±
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 17
Ietekme – MAC līmenī n Ietekme uz:
q Carrier Sense metodi q Handshake metodi q Pielietota CSMA, MACA,
MACAW, 802.11 DCF
B
C
A
(a) Carrier Sense metode
B
C
A
RTS
X
CTSDATA
(b) Handshake metode
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 18
Ietekme - Maršrutizācija n Ietekme uz:
q Path-Reversal metodi q Multi-Round metodi q Pielietota AODV, DSR, LAR
Source A
B Dest.RREQ
RREQ
RREP
RREP
X
Ietekme uz Path-Reversal metode
S DX
X
RREQRREP
Maršrutu atrašana ar Multi-Round
metodi
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 19
Ietekme - Maršrutizācija
n Ietekme uz: q Neighbor-Discovery metodi q Pielietota GF, GPSR, SPEED
AC
D
Bbeacon
Xdata
beacon
data
beacon data
Ietekme uz Neighbor Discovery metodi
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 20
Simulācijas Testi
Components Setting
Simulator GloMoSim
Terrain (150m,150m)
Node Number 100
Node Placement Uniform
Payload Size 32 Bytes
Application 6 randomly chosen periodic multi-hop CBR streams
Routing Protocol AODV, DSR, GF
MAC Protocol CSMA, 802.11 (DCF)
Radio Model RIM
Radio Bandwidth 200Kb/s
Runs 140
Confidence Intervals The 95% confidence intervals are within 0~25% of the mean
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 21
Mēram ietekmi
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
0 0.2 0 .4 0 .6 0 .8 1
V S P -‐ F A C T O R
A ODVD S RGF
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
0 0.002 0 .004 0 .006 0 .008 0 .01
D O I-‐ F A C T O R
A ODVD S RGF
Palielinām DOI Palielinām VSP
0
0 .01
0 .02
0 .03
0 .04
0 .05
0 .06
0 .07
0 .08
0 .09
0 0 .002 0 .004 0 .006 0 .008 0 .01
D O I-‐ F A C T O R
A ODVD S RGF
0
0 .01
0 .02
0 .03
0 .04
0 .05
0 .06
0 .07
0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1
V S P -‐ F A C T O R
A ODVD S RGF
Vidē
jā a
iztu
re
Zaudēj
umu
attie
cība
Vidē
jā a
iztu
re
Zaudēj
umu
attie
cība
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 22
Mēram ietekmi Palielinām DOI Palielinām VSP
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0 .002 0 .004 0 .006 0 .008 0 .01
D O I-‐ F A C T O R
A ODVD S RGF
0
100
200
300
400
500
600
700
0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1
V S P -‐ F A C T O R
A ODVD S RGF
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 0 .002 0 .004 0 .006 0 .008 0 .01D O I-‐ F A C T O R
A ODVD S RGF
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1
V S P -‐ F A C T O R
A ODVD S RGF
Enerģi
jas
patē
riņš
(mW
h)
Kon
trol
es p
akeš
u s
kaits
Enerģi
jas
patē
riņš
(mW
h)
Kon
trol
es p
akeš
u s
kaits
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 23
Ietekme - kopsavilkums n Radio neregularitātei ir lielāka ietekme uz maršrutizācijas līmeni
nekā MAC līmeni.
n Maršrutizācijas protokoli līdzīgi AODV un DSR, kas lieto multi-round discovery metodi, var tikt galā ar radio neregularitāti, bet ar lielu samaksu.
n Maršrutizācijas protokoli līdzīgi ģeogrāfiskajai virzībai (geographic forwarding), kas balstās uz kaimiņu atklāšanas metodi, ir spēcīgi ietekmēti ar radio neregularitāti.
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 24
s d
Geographic Forwarding
n GF vienmēr izvēlas mezglu kurš ir tuvāks mērķim.
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 25
Risinājums: simetriskais GF (SGF)
n Noskaidrojam kaimiņus n Apmaināmies ar kaimiņu tabulām lai atklātu
asimetriju n Izmetam asimetriskās saites no kaimiņu tabulām
3 4 1
1 2
3
4
1 4
3 1
X x
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 26
Symmetric Geographic Forwarding (SGF) Palielinām DOI Palielinām VSP
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
0 0.002 0 .004 0 .006 0 .008 0 .01
D O I-‐ F A C T O R
A ODVD S RGFS GF
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
0 0.2 0 .4 0 .6 0 .8 1
V S P -‐ F A C T O R
A ODVD S RGFS GF
0
0 .01
0 .02
0 .03
0 .04
0 .05
0 .06
0 .07
0 .08
0 .09
0 0 .002 0 .004 0 .006 0 .008 0 .01
D O I-‐ F A C T O R
A ODVD S RGFS GF
0
0 .01
0 .02
0 .03
0 .04
0 .05
0 .06
0 .07
0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1
V S P -‐ F A C T O R
A ODV D S RGF S GFVi
dējā
aiz
ture
Za
udēj
umu
attie
cība
Vidē
jā a
iztu
re
Zaudēj
umu
attie
cība
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 27
Ierobežotā distances virzība (BDF)
n Bounded Distance Forwarding ierobežo distanci kurā mezgls drīkst virzīt tālāk ziņojumu vienā lecienā
n Realizēta novērošanas un trasēšanas sistēmā ar 70 MICA2 sensoru mezgliem
60%65%70%
75%80%85%90%
95%100%
8 16 24 32 40 48 100
B o unde d F o wa rd ing D is ta nc e ( fe e t)
Ziņojošo mezglu skaits
% z
iņot
o m
ezgl
u
Ierobežotās pārsūtīšanas distance (pēdās)
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 28
Bounded Distance Forwarding
n 3 metri – nepietiek mezglu, lai varētu pārklāt visu tīklu ar topoloģiju
n 5 metri – labākais kompromiss n 8 metri un vairāk – pārāk daudz nesimetrisku
saišu
Vājāks signāls
A
3m 5m
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 29
Citas radio realitātes?
n Interferences attālums q Parasti interferences attālums ir lielāks par
komunikācijas attālumu q Daži protokoli pieņem, ka, ja attālums lielāks par
diviem lēcieniem, tad interference ir nulle q Bet nav taisnība: Vairāku mezglu enerģijas summa
var radīt interferenci arī tālāk (jāņem vērā signāla un trokšņa attiecība - SNR nevis lēcienu skaitu)
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 30
Radio interference
B A C
Attālums 1
Attālums 2
Traucē
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 31
Citas radio realitātes
n Hipotēze: ja divi mezgli vienlaicīgi raida, tad abi ziņojumi ir sakropļoti un zaudēti
q Bet ne obligāti – vienas paketes signāla stiprums var
būt lielāks lai tā tiktu saņemta korekti, pat ja otrs mezgls raida tai pat laikā (piemēram, ar būtiski vājāku signālu)
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 32
IEEE 802.11 spektrs
n Skaidri redzami trīs kanāli: 1, 6 un 11
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 33
Spread Spectrum – Izkliedētais spektrs
n Spread spectrum (SS) ir raidīšanas tehnika, kas ar pseido – trokšņa (PN) kodu kas ir neatkarīgs no informācijas datiem tiek izmantota kā modulācijas vilnis, kas “izkliedē” signāla enerģiju pa komunikācijas joslu, kas ir daudz lielāka par signāla informācijas joslu.
n Uztvērējs “at-izkliedē” – sakomplektē signālu, lietojot sinhronizētu PN koda kopiju.
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 34
Divi SS veidi
n Frekvences lēkāšanas SS - Frequency Hopping Spread Spectrum
n Tiešās rindas SS - Direct Sequenced Spread Spectrum q Lieto MicaZ un Tmote Sky sensoru mezglos
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 35
Princips
0100100100 00 pie frekvences A 01 pie frekvences B 10 pie frekvences C 00 pie frekvences D 01 pie frekvences E
Zinot PN kodu un invertējot kodēšanas procesu
Piemēram, 16 frekvences kanāli no kā izvēlēties
Sūtītājs Uztvērējs
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 36
Frekvenču lēkāšanas spektrogramma
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 37
Priekšrocības
n Noturīgs pret tīšiem traucējumiem q Traucējot tikai vienu frekvenci tikai daži biti tiek
zaudēti, kurus var izlabot augstākā kodēšanas līmenī n Noklausītāji (spiegi) dzird tikai dažus bitus n Labāka noturība pret troksni un daudz-taku
kropļojumiem n Vairāki lietotāji var raidīt vienlaicīgi (!), praktiski
netraucējot viens otru (vai ļoti maz traucējot)
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 38
Piemērs
n Lieto Spread Spectrum ar kodu
n Lietotājam A ir kods, kas norāda frekvences 3,7,2,8
n Lietotājam B kods norāda frekvences kas šķēlumā ar iepriekšējo frekvenču kopu dod tukšu kopu, piemēram 5, 6, 14, 1, 4
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 39
Piemērs: Radio komponente CC 2420
n DSSS n 250kbps efektīvais datu pārraides ātrums n Q-QPSK ar pus-sinusa pulsa formēšanas modulāciju n Zems enerģijas (strāvas) patēriņš (RX: 19.7 mA, TX: 17.4 mA) n Programmējama raidītāja jauda n 16 frekvenču kanāli (IEEE 802.15.4 standarts)
q Fc = 2450 + 5 (k-11) MHz, k = 11, 12, …, 26 n MAC kriptēšanas iespeja aparatūrā
© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 40
Kopsavilkums
n Radio neregularitātes ir realitāte n Daudzi protokoli darbojas vāji, jo tie ignorē šo problēmu
(MAC, maršrutizācija, lokalizācija, topoloģijas kontrole) q Tie realitātē nav ļoti derīgi...
n SGF, Bounded Distance – tātad eksistē risinājumi, kas ņem vēra minētās problēmas
n Radio interferences realitātes arī ir problēma n Spread Spektrum ir labs risinājums, noturīgs pret
dažādiem radio traucējumiem