Meccanismi di Ritrasmissione per Reti di Sensori

Meccanismi di Ritrasmissione per Reti di Sensori Università di Ferrara

OUTLINE • INTRODUZIONE • DEFINIZIONE DI 4 METODI DI CONSEGNA DELLE INFORMAZIONI PER RETI WIRELESS DI SENSORI • COMMUNICATION PERFORMANCES • CONSUMO ENERGETICO • RISULTATI E CONFRONTI • mAMPS-1 DATA • MODELLO PARAMETRICO Università di Ferrara

Introduzione progettare tutti i livelli della rete al fine di risparmiare energia • Aspetto più critico per reti wireless di sensori : LIMITATO BUDGET ENERGETICO • In questo lavoro: • LINK LAYER : • Reti di sensori caratterizzate da: - alta densità di nodi - brevi distanze tra dispositivi vicini (10, 20 m) - bassi data rates - pacchetti di lunghezza corta (100 bits) • vogliamo assicurare comunicazioni affidabili ed energeticamente efficienti. • proposta di 4 metodi di consegna delle informazioni e studio del loro consumo energetico Università di Ferrara

d S D d / H Definizione dei quattro metodi • ARQ fino all’arrivo di un pacchetto corretto a destinazione; ausilio della strategia di FEC. • Alternative considerate: • METODO 1) trasmissione diretta da S a D;ritrax richiesta a D • METODO 2) consegna multihop con nodi intermedi che si comportano da repeater, pacchetto decodificato solo a D; ritrax chieste a S • METODO 3) consegna multihop dove ogni nodo intermedio implementa FEC e arresta un’ulteriore trasmissione di un pacchetto rilevato errato; ritrax chieste alla S • METODO 4) consegna multihop dove ogni nodo intermedio implementa FEC e arresta un’ulteriore trasmissione di un pacchetto rilevato errato; ritrax chieste al nodo precedente Università di Ferrara

Pe:probabilità di fallita consegna di un pacchetto a destinazione Ritrasmissioni Communication Performance • Definiamo la qualità della comunicazione attraverso    Università di Ferrara

distanze (dN) normalizzate alla distanza d tra S e D z rapporto segnale rumore a distanza dN unitaria (dividendo equamente la potenza output totale tra i nodi) . nel metodo 2), un simbolo arriva errato a destinazione se ha subito un numero dispari di errori lungo il cammino : word error probability con un codice a blocchi (n,k,t) : Communication Performance Università di Ferrara

d mP DECODING g mP ENCODING Radio Rx Radio Tx Modello energetico di un nodo sensore POINT-TO-POINT COMUNICATION    Università di Ferrara

Energia per consegnare un pacchetto corretto a destinazione i = 1...4     Università di Ferrara

Numero medio di tx necessarie per avere un pacchetto corretto a D 1 / (1-Pe) Energia per una singola tx a D x Energia Eg_data • Metodi 1), 2) richiedono a S la ritrax di un pacchetto errato, quindi Eg_i (i=1, 2, 3) si può esprimere come: • Fattore m include la possibilità di fermare il forwarding di un pacchetto trovato errato ad un nodo intermedio • Ph probabilità di avere un pacchetto errato al salto h • Eg4 • 1/(1-Pw) numero medio di tx per consegnare correttamente un pacchetto al nodo successivo • Ogni tx: termine tra parentesi Università di Ferrara

Risultati e confronti • Osserviamo l’andamento energetico dei quattro metodi in due diverse situazioni: • specifica: sostituendo E0 and Eproc con i valori di un sensore reale, il MIT mAMPS-1 prototype, con BCH (63,39,4). • h=3.5 • E0=9.3·10-5 J • Eproc=4.6 ·10-5 J • parametrico: per semplificare l’analisi trascuriamo energie relativa all’  Eg=Edata . Questo non cambia il trend e il range dei risultati ottenuti. Università di Ferrara

Risultati : mAMPS-1 • Eg in relazione a probabilità di errore Pe • fissata distanza d tra S e D • fissato numero di salti H • esistenza di una Pe ottimale : Minimo numero di ritrasmissioni per minimizzare il consumo energetico • Peottimale attorno 10-2 con i dati mAMPS-1 Università di Ferrara

Risultati : mAMPS-1 • fissato H :all’aumento di d, l’uso del multihop diventa necessario e solo a distanze maggiori diventa utile l’uso del FEC ad ogni nodo intermedio • più salti a disposizione : • H ottimo (Hopt)per ogni distanza d, ottima distanza tra due nodi successivi (dlink_opt) • scegliendo Hoptper ogni d, il metodo migliore è METHOD 2) • Eg in relazione alla distanza d S-D • fissata Pe = 10-2 Università di Ferrara

Risultati : mAMPS-1 • Guadagno tra schema 2) e 3) scegliendo Hopt per ogni distanza d • fissata Pe = 10-2 Scegliendo Hopt per ogni distanza d, il metodo migliore in uno scenario multisalto è schema 2) con un guadagno energetico tra 5% e 15% rispetto a metodo 3), come evidenziato nel riquadro, posizionato nel range dove il multihop è preferibile alla trasmissione diretta. Università di Ferrara

Multihop FEC ad ogni nodo x @ 1 dB Risultati : Modello Parametrico • Riduzione di Ednecessaria ad assicurare una data performance Pe ma aumento di Eo e Eproc approx Università di Ferrara

Risultati : Modello Parametrico • TREADE-OFFs : • E0e Ed routing diretto o multisalto • Eproce Ed  FEC ad ogni nodo o solo a destinazione • Possiamo sfruttare i fattori d12 and d13 per costruire un modello parametrico,un set di condizioni per scegliere la soluzione migliore,tra le quattro alternative, rispetto ai numerosi parametri coinvolti: • tecnologia hardware ( E0 , Eproc ) • distanza tra sorgente e destinazione ( d ) • numero di salti (H ) Università di Ferrara

Risultati : Modello Parametrico • Stessa Pe per tutti i metodi • metodo 1) è il migliore quando Eg1 < Eg2 and Eg1 < Eg3 . Queste condizioni sono soddisfatte quando : • metodo 2) migliore quando: • metodo 3) migliore quando: Università di Ferrara

Risultati : Modello Parametrico • Distanzaalla quale le curve relative all’energia spesa dai vari meccanismi si intersecano, considerando un fissato numero di salti a disposizione: • d12 proporzionale al rapporto E0/b1 • d23 proporzionale al rapporto Eproc/b1 • dipendenza dai parametri H, d12 and d13 Università di Ferrara

Risultati : Modello Parametrico • Sostanziale aumento di energia se si utilizza un numero di salti sub-ottimo • interessante studiare quali fattori influenzano Hopt, cioè dlink_opt: mAMPS-1 • variando il rapporto E0/b1 possiamo ottimizzare le comunicazioni anche tra nodi successivi distanti anche solo 10, 20 metri Università di Ferrara

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