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Lokale Netzstrukturen

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Academic year: 2022

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Volltext

(1)

Lokale Netzstrukturen

Einführung

(2)

Motivation

(3)

Moore’s Law

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 3

(4)

Exploiting Moore‘s Law wrt. Scale

Size Number

(5)

How to Network many Devices?

• Small (and possibly mobile devices)  wireless networking

• “Classical” wireless Networking uses base stations

Example: Wireless LAN

Example: Mobile Phones

• Why always relying on an infrastructure?

Less maintenance cost without relying on an infrastructure

Rapid installation of a network if no infrastructure is available

Communication would be for free

Not involving a far away base station may even save communication bandwidth

• Try to construct a network without infrastructure, using networking abilities of the participants

• Simplest example: Laptops in a conference room – a single‐hop ad hoc network

• More sophisticated example: multihop ad‐hoc networks

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 5

(6)

Ad‐Hoc Networking Examples

• Factory floor  automation

 Disaster recovery

 Car-to-car

communication

ad hoc ad hoc

Military networking: Tanks, soldiers, …

Finding out empty parking lots in a city, without asking a server

Search-and-rescue in an avalanche

Personal area networking (watch, glasses, PDA, medical appliance, …)

(7)

The Wireless Sensor Network Idea

Sensor Node Sensor Network

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 7

(8)

Example: Environmental Monitoring

(9)

Example: Precision Agriculture

• Example: LOFAR project 

– Fighting Phytophtora using micro‐climate – Temperature and relative humidity

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 9

(10)

Example: Forest‐Fire Detection

(11)

Example: Exploration of Unknown Territory

Example: CotsBots, Berkeley, Pister et al.

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 11

(12)

Example: Traffic Telematics

(13)

More Examples

Building Automation

Home Automation

Industrial Automation

Logistics

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 13

(14)

Die Idee der drahtlosen Sensor‐Aktuator‐Netze

Beispiel Gebäudeautomatisierung

(15)

Idee: Mobile autonome Roboter‐Sensor‐Netze

Beispiel: Überwachung eines kontaminierten Gebietes

Beispiel: Exploration von unerforschtem schwer zugänglichem Gebiet

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 15

(16)

Idee: Kombinierte mobile Roboter‐ und  Sensor‐(Aktuator)‐Netze

Mobile Roboter als drahtlose Support‐Knoten oder Data‐Mules

Mobile Roboter für Deployment und  Maintenance von drahtlosen Sensor‐

(Aktuator)‐Netzen

(17)

Herausforderungen

(18)

Drahtlose Kommunikation = Unzuverlässige  Kommunikation

LOS-Weg

NLOS-Weg

Typisches Fading‐Verhalten Hauptursache: Mehrwegeausbreitung

(19)

Hoher Pfadverlust   Multihop

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 19

(20)

Sender Receiver

Große Kollisionsdomänen   Multihop

(21)

Große Kollisionsdomäne   Broadcast‐Stürme

Redundante Übertragungen

Auslieferungsrate Kollisionen &

Netzdichte niedrig

hoch

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 21

(22)

Limitierender Faktor Batteriekapazität

(23)

Energie‐Effizienz   Multihop

10 m

1 nJoule/Bit

Bluetooth‐Beispiel

100m in einem Hop: 100nJ/Bit

100m in zehn Hops: 10nJ/Bit

Distanz

Signalstärk e

100 m

100 nJoule/Bit

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 23

(24)

Energieeffizienz   Schalf‐Wach‐Zyklen

P

sleep

P

active

t P

“Traditionelle” MAC-Verfahren:

P

sleep

P

active

P

Ein ideales energieminimales MAC-Verfahren:

Power Consumption

Power Consumption

Power Savings

TX/RX TX/RX TX/RX

(25)

Energieeffizienz   In‐Network‐Processing

S3 Sink: compute

max(d1,d2,d3) S1

S2

send(d1)

send(d2)

send(d3)

S3 Sink

S1

S2

send(d1)

send(d2)

compute

m = max(d1,d2,d3) send(m)

Beispiel: Maximum‐Berechnung

Kommunikationseinsparungen durch Datenaggregation

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 25

(26)

Energieeffizient und kleine Größe   Limitierte Ressourcen

BTNode

Mica2

Mica2Dot

Tmote Sky

Serial attached Flash in kB

Internal RAM in kB

Flash RAM in kB

(27)

Energieeffizient und kleine Größe   Limitierte Ressourcen

CC1000 CC1021 CC2420 TR1000 XE1205

Bit Rate [kbps]

76.8 153.6 250 115.2 1.2 - 152.3

Sleep Mode [uA]

0.2 - 1 (osc.

core off)

1.8 (core off) 1 0.7 0.2

RX [mA] 9.3 (433MHz) / 11.8

(868MHz)

19.9 19.7 3.8 (115.2kbps)

14

TX Min [mA] 8.6 (-20dBm) 14.5 (- 20dBm)

8.5 (-25dBm) 33 (+5dBm)

TX Max [mA] 25.4 (+5dBm)

25.1

(+5dBm)

17.4 (0dBm) 12

(+1.5dBm)

62 (+15dBm)

Source: http://www.btnode.ethz.ch/Projects/SensorNetworkMuseum

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 27

(28)

Mobilität

(29)

Modellbildung

Modellierung einer einzigen Verbindung

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 29

(30)

Path Loss

S RX

S RX =

(31)

Path Loss: A Geometric Explanation

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 31

(32)

Considering Attenuation 

S RX =

(33)

Further Effects

• Reflection & Refraction

• Diffraction

• Scattering

• Doppler Shift

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 33

(34)

Log‐Distance Path Loss Model

(35)

Considering Shadowing: Lognormal Model

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 35

(36)

Modeling the Time Varying Nature

• Consider mobile sender receiver pair

• Modeling received signal strength as R.V. X

• Considering probability P[X  <= x] (the CDF)

• Example: Rayleigh Fading Model

– No line of sight

– Exponential distributed CDF

• Example: Ricean fading model

– Dominant line of sight

(37)

Modellbildung

Ein einfaches Energiemodell

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 37

(38)

Required Transmission Power

(39)

Zero Power with Infinite Relays?

• Direct transmission

• Transmission with n relays

s t

d

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 39

(40)

Additive Constant Power Consumption

• Direct transmission

• Transmission with n relays

s t

d

(41)

Modellbildung

Vereinfachte Graphmodelle

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 41

(42)

The Wireless Network Graph

• Wireless network as a graph G=(V,E) – V = set of nodes

– E = set of node pairs which can reach each other

Example:

(43)

Which Nodes are Connected?

• N

0

= noise at the receiver

• S

RX

= received signal strength

• Correct reception above certain BER:

• For constant N

0

follows correct reception iff

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 43

(44)

The Unit Disk Graph UDG(V)

• Nodes u and v connected iff |uv| ≤ R

• Example: transmission range of node u ?

u

(45)

Is this correct?

• Antenna radiation patterns

• Scattering, diffraction,  refraction

• Multipath propagation

• Interference

• Obstacles

u

Transmission range of u looks rather like:

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 45

(46)

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 0

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Measurement: LQI

Stationary Node Moving Node

(47)

Measurement: Loss Probability

15

10

5

0 0 5 10 15

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 47

(48)

Three Regions of Communication 

(49)

A Generalization: Quasi UDG

Of particular interest:

Transmission range varying between unique r

min

and r

max

r min r max

u

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 49

(50)

Lokale Netzalgortihmen

(51)

Large Scale Wireless Networks

 On board powered devices

 Wireless communication

 No network infrastructure

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 51

(52)

Large Scale Wireless Networks

Example: sensor networks

(53)

Large Scale Wireless Networks

Example: ad hoc networks

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 53

(54)

Large Scale Wireless Networks

Example: robotic networks

(55)

Large Scale Wireless Networks

 Limited comm. range

 Regulatory constraints

 Implied network graph

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 55

(56)

Large Scale Wireless Networks

Data communication:

unicast, multicast, broadcast, anycast,

geocast, …

(57)

Large Scale Wireless Networks

Topology control:

neighbor elimination, backbone con- struction, virtual overlays, relocation,…

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 57

(58)

Localized Protocol Design

Localized: achieve a network wide objective with local decisions only Request neighbors

?

(59)

Localized Protocol Design

Localized: achieve a network wide objective with local decisions only Non-localized: Local change may require a network wide decision

Inform network

General hope that localized protocols:

save resources,

support arbitrary network scale, deal better with dynamics,

still work when full network view is not possible

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 59

(60)

Zusammenfassung

(61)

Quo Vadis

• In der Vorlesung betrachten wir die genannten Netze/Systeme – aus der Graphen‐Sicht und 

– unter vereinfachten Modellannahmen

• Pro: Beweisbare Aussagen

• Pro: Übersichtliche Algorithmen

• Contra: Algorithmen unter diesen Annahmen sind nicht praxistauglich!?!?

– Aber: Formalen Aussagen sagen uns was prinzipiell geht und was nicht

– Aber: Verfahren bilden eine gute Ausgangsbasis, um für die Praxis erweitert zu  werden

• Dennoch: ganze Thematik ist ein noch junges Forschungsfeld – Es klafft eine große Lücke zwischen Theorie und Praxis 

– Motivation für unsere Forschungsanstrengungen sowohl in der Theorie als auch in  der Praxis

SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 61

(62)

Vorlesungsabschnitte

• Generell: wir befassen uns mit lokalen Graphstrukturen – Knoten brauchen höchstens ihre k‐Hop‐Nachbarn zu kennen

– Besondere Form: reaktive Verfahren, in denen gar kein Nachbar bekannt sein muss – Viele lokale Verfahren setzen Positionsinformation voraus

• Vorlesungsplan

– Topologiekontrolle (Entfernen von Kanten, Entfernen von Knoten, Virtuelle Overlays) – Datenkommunikation (Unicast, Multicast, Broadcast, Geocast, Anycast)

– (Positionierung)

• In dieser Vorlesung befassen wir uns mit Theorie!!!  Formale Beweise

Referenzen

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