Lokale Netzstrukturen
Einführung
Motivation
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 2
Moore’s Law
Exploiting Moore‘s Law wrt. Scale
one mainframe for many desktop PC for one many devices for one
Size Number
4
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 infrastructure is used
–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
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, …)
Rooftop networks
…
Lokale Netzstrukturen ‐EinführungSS 2017 6
The Wireless Sensor Network Idea
Sensor Node Sensor Network
Example: Environmental Monitoring
Example: Great Duck Island, Berkeley, Culler et al.
Lokale Netzstrukturen ‐Einführung
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Example: Precision Agriculture
• Example: LOFAR project
– Fighting Phytophtora using micro‐climate
– Temperature and relative humidity
Example: Forest‐Fire Detection
Lokale Netzstrukturen ‐Einführung
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Example: Exploration of Unknown Territory
Example: CotsBots, Berkeley, Pister et al.
Example: Traffic Telematics
Image source: www.whnet.com/4x4/telematics.html Lokale Netzstrukturen ‐Einführung
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More Examples
Building Automation
Home Automation
Industrial Automation
Logistics
Die Idee der drahtlosen Sensor‐Aktuator‐Netze
Beispiel Gebäudeautomatisierung
Generell: Aktoren in den Beispielanwendungen von Sensornetzen
Lokale Netzstrukturen ‐Einführung
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Idee: Mobile autonome Roboter‐Sensor‐Netze
Beispiel: Überwachung eines kontaminierten Gebietes
Beispiel: Exploration von unerforschtem
schwer zugänglichem Gebiet
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
Lokale Netzstrukturen ‐Einführung
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Herausforderungen
Drahtlose Kommunikation = Unzuverlässige Kommunikation
LOS-Weg
NLOS-Weg
Typisches Fading‐Verhalten Hauptursache: Mehrwegeausbreitung
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Hoher Pfadverlust Multihop
Sender Receiver
Große Kollisionsdomänen Multihop
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 20
Große Kollisionsdomäne Broadcast‐Stürme
Redundante Übertragungen
Auslieferungsrate Kollisionen &
Netzdichte niedrig
hoch
Limitierender Faktor Batteriekapazität
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 22
Energie‐Effizienz Multihop
10 m
1 nJoule/Bit
…
Bluetooth‐Beispiel
100m in einem Hop: 100nJ/Bit
100m in zehn Hops: 10nJ/Bit
Signalstärk e
100 m
100 nJoule/Bit
Energieeffizienz Schalf‐Wach‐Zyklen
P
sleepP
activet P
“Traditionelle” MAC-Verfahren:
P
sleepP
activet P
Ein ideales energieminimales MAC-Verfahren:
Power Consumption
Power Consumption
Power Savings
TX/RX TX/RX TX/RX
TX/RX TX/RX TX/RX
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 24
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
Energieeffizient und kleine Größe Limitierte Ressourcen
BTNode
Mica2
Mica2Dot
Tmote Sky
Imote
Source: http://www.btnode.ethz.ch/Projects/SensorNetworkMuseum
Serial attached Flash in kB
Internal RAM in kB
Flash RAM in kB
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung 26
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)
Mobilität
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Modellbildung
Modellierung einer einzigen Verbindung
Path Loss
d S RX
S RX =
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Path Loss: A Geometric Explanation
Considering Attenuation
© http://141.84.50.121/iggf/Multimedia/Klimatologie/physik_arbeit.htm
S RX =
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Further Effects
• Reflection & Refraction
• Diffraction
• Scattering
• Doppler Shift
Log‐Distance Path Loss Model
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Considering Shadowing: Lognormal Model
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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 – Ricean distributed CDF
SS 2017 Lokale Netzstrukturen ‐Einführung