Lokale Netzstrukturen
Einführung
Motivation
Moore’s Law
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 3
Exploiting Moore‘s Law wrt. Scale
Size Number
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
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, …)
The Wireless Sensor Network Idea
Sensor Node Sensor Network
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 7
Example: Environmental Monitoring
Example: Precision Agriculture
• Example: LOFAR project
– Fighting Phytophtora using micro‐climate – Temperature and relative humidity
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 9
Example: Forest‐Fire Detection
Example: Exploration of Unknown Territory
Example: CotsBots, Berkeley, Pister et al.
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 11
Example: Traffic Telematics
More Examples
Building Automation
Home Automation
Industrial Automation
Logistics
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 13
Die Idee der drahtlosen Sensor‐Aktuator‐Netze
Beispiel Gebäudeautomatisierung
Idee: Mobile autonome Roboter‐Sensor‐Netze
Beispiel: Überwachung eines kontaminierten Gebietes
Beispiel: Exploration von unerforschtem schwer zugänglichem Gebiet
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 15
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
Herausforderungen
Drahtlose Kommunikation = Unzuverlässige Kommunikation
LOS-Weg
NLOS-Weg
Typisches Fading‐Verhalten Hauptursache: Mehrwegeausbreitung
Hoher Pfadverlust Multihop
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 19
Sender Receiver
Große Kollisionsdomänen Multihop
Große Kollisionsdomäne Broadcast‐Stürme
Redundante Übertragungen
Auslieferungsrate Kollisionen &
Netzdichte niedrig
hoch
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 21
Limitierender Faktor Batteriekapazität
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
Energieeffizienz Schalf‐Wach‐Zyklen
P
sleepP
activet P
“Traditionelle” MAC-Verfahren:
P
sleepP
activeP
Ein ideales energieminimales MAC-Verfahren:
Power Consumption
Power Consumption
Power Savings
TX/RX TX/RX TX/RX
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
Energieeffizient und kleine Größe Limitierte Ressourcen
BTNode
Mica2
Mica2Dot
Tmote Sky
Serial attached Flash in kB
Internal RAM in kB
Flash RAM in kB
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
Mobilität
Modellbildung
Modellierung einer einzigen Verbindung
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 29
Path Loss
S RX
S RX =
Path Loss: A Geometric Explanation
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 31
Considering Attenuation
S RX =
Further Effects
• Reflection & Refraction
• Diffraction
• Scattering
• Doppler Shift
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 33
Log‐Distance Path Loss Model
Considering Shadowing: Lognormal Model
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 35
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
Modellbildung
Ein einfaches Energiemodell
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 37
Required Transmission Power
Zero Power with Infinite Relays?
• Direct transmission
• Transmission with n relays
s t
d
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 39
Additive Constant Power Consumption
• Direct transmission
• Transmission with n relays
s t
d
Modellbildung
Vereinfachte Graphmodelle
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 41
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:
Which Nodes are Connected?
• N
0= noise at the receiver
• S
RX= received signal strength
• Correct reception above certain BER:
• For constant N
0follows correct reception iff
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 43
The Unit Disk Graph UDG(V)
• Nodes u and v connected iff |uv| ≤ R
• Example: transmission range of node u ?
u
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
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
Measurement: Loss Probability
15
10
5
0 0 5 10 15
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 47
Three Regions of Communication
A Generalization: Quasi UDG
Of particular interest:
Transmission range varying between unique r
minand r
maxr min r max
u
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 49
Lokale Netzalgortihmen
Large Scale Wireless Networks
On board powered devices
Wireless communication
No network infrastructure
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 51
Large Scale Wireless Networks
Example: sensor networks
Large Scale Wireless Networks
Example: ad hoc networks
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 53
Large Scale Wireless Networks
Example: robotic networks
Large Scale Wireless Networks
Limited comm. range
Regulatory constraints
Implied network graph
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 55
Large Scale Wireless Networks
Data communication:
unicast, multicast, broadcast, anycast,
geocast, …
Large Scale Wireless Networks
Topology control:
neighbor elimination, backbone con- struction, virtual overlays, relocation,…
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 57
Localized Protocol Design
Localized: achieve a network wide objective with local decisions only Request neighbors
?
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
Zusammenfassung
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
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