22 listopada 2010

1. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc Ewa Niewiadomska-Szynkiewicz Instytut Automatyki i Informatyki Stosowanej Politechnika Warszawska Naukowa i Akademicka Sieć Komputerowa(NASK) Seminarium Zielona Góra 22 listopada 2010

2. Plan prezentacji • Wprowadzenie - sieci ad hoc • sieci bezprzewodowych czujników (WSN) • sieci urządzeń mobilnych (MANET) • Projektowanie i zarządzanie siecią ad hoc • Pozycjonowanie węzłów w sieciach WSN • Zarządzanie transmisją (transmisja energooszczędna) • Modelowanie mobilności węzłów w sieciach MANET • Symulatory sieci jako narzędzia wspierające projektowanie i zarządzanie sieciami ad hoc Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

3. Sieć ad hoc • Sieć bezprzewodowa o zdecentralizowanej strukturze. • Składa się z węzłów, które autonomicznie organizują się w sieć. • Nie jest wymagane istnienie zewnętrznej infrastruktury sieciowej do przekazywania danych – nie występują punkty zarządzające. • Sieć heterogeniczna - może składać się z różnego typu urządzeń. • Nie jest zazwyczaj możliwa bezpośrednia łączność pomiędzy każdą parą węzłów (transmisja multi-hop). • Węzły sieci mogą się przemieszczać w przestrzeni. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

4. Bezprzewodowe sieci sensorów • Bezprzewodowa sieć sensorów (Wireless Sensor Network – WSN) tworzona jest najczęściej w trybie ad-hoc, przez niewielkich rozmiarów urządzenia, stanowiące węzły sieci gęsto rozmieszczone na dużym obszarze. • Zazwyczaj sieć stacjonarna lub quasi-stacjonarna. • Schemat komunikacji wiele-do-jednego – sensory przesyłają dane do wyróżnionych węzłów odpowiedzialnych za przekazanie tych informacji do operatora sieci. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

5. Architektura węzła • Na architekturę węzła składają się: • interfejs radiowy • mikroprocesor • pamięć • źródło zasilania • odpowiednie czujniki • np. oświetlenia, wilgotności itd. • Stosowane protokoły komunikacyjne: • IEEE 802.11 • IEEE 802.15.1 (Bluetooth) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

6. Sieć mobilna (MANET) • Mobilna sieć ad hoc MANET (ang. Mobile Ad-hoc Network) • Tworzą ją samoorganizujące się mobilne urządzenia • komunikacji bezprzewodowej, które pełnią jednocześnie • funkcje terminali oraz ruterów. • Każde urządzenie może wykonywać zadania oraz uczestniczyć • w przekazywaniu danych do odbiorców (w jego zasięgu). • Węzły sieci mogą się przemieszczać w przestrzeni • w miarę upływu czasu. • Nie jest zazwyczaj możliwa bezpośrednia łączność • pomiędzy każdą parą węzłów. • Do komunikacji nie jest wymagane istnienie żadnej infrastruktury • sieciowej, nie ma punktów centralnych zarządzających siecią, • żadne urządzenie nie ma ściśle określonego położenia • w przestrzeni. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

7. Ograniczenia w sieciach ad hoc • ekonomiczne: • sensory mają być tanie w produkcji • techniczne: • jedyne dostępne zasilanie - baterie / ogniwa PV źródło zasilania ograniczony czas pracy sieć niska jakość łączy (zmienna się w czasie), ograniczona przepustowość interfejs radiowy niewielki zasięg komunikacji mikroprocesor ograniczone możliwości przetwarzania pamięć brak możliwości agregacji danych z dłuższego okresu topologia dynamiczne zmiany Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

8. Projektowanie sieci ad hoc • Wstępne oszacowanie liczby węzłów sieci przy • założonej dopuszczalnej mocy nadajnika radiowego • i możliwości sterowania mocą sygnału • Wybranie odpowiedniego protokołu komunikacji, • przy ustalonym kryterium działania sieci • (maksymalizacja czasu funkcjonowania węzłów, przepływności itp.). • Pozycjonowanie węzłów w sieci ad hoc. • Planowanie ruchu w przestrzeni (sieci MANET). Proces projektowania wspierany przez symulację komputerową Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

9. Pozycjonowanie węzłów Cel: Optymalne (względem przyjętej metryki) rozmieszczenie węzłów, które zagwarantuje dostarczenie wszystkich zebranych i przesyłanych danych do stacji bazowej ROZMIESZCZENIE Cel: Wyznaczenie estymat współrzędnych położenia węzłów LOKALIZACJA Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

10. E. Niewiadomska-Szynkiewicz, Michał Marks Lokalizacja węzłóww bezprzewodowych sieciach sensorów Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

11. Jak pozyskać informację o lokalizacji? • Informacje o lokalizacji można uzyskać: • zapisując informacje w trakcie rozmieszczania węzłów • poprzez wyposażenie węzłów w system GPS • niemożliwe „tanie” rozmieszczenie węzłów np. z samolotu • metoda jest nieodporna na przemieszczanie się węzłów • rozwiązanie bardzo kosztowne (rozmiar sieci to tysiące węzłów) • duży pobór energii • ograniczone zastosowanie wewnątrz pomieszczeń • duży rozmiar odbiorników Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

12. Lokalizacja węzłów bazowych - algorytmy • Algorytmy przetwarzających uzyskane dane w estymaty położenia węzłów. • algorytmy single-hop • algorytmy multi-hop – wykorzystują dane o połączeniach • APS - Ad Hoc Positioning System [D. Niculescu and B. Nath] • SDP - Convex position estimation in wireless sensor networks [L. Doherty, K. Pister, L. El Ghaoui] • MDS - Localization from Connectivity in Sensor Networks [Y. Shang, W. Ruml, Y. Zhang] • algorytmy multi-hop - wykorzystują dane o odległościach • Semidefinite programming for ad hoc wireless sensor network localization [P. Biswas and Y. Ye] • Simulated Annealing based localization in Wireless Sensor Network [A. Kannan, G. Mao, B. Vucetic] • Two-phase Stochastic Optimization to Sensor Network Localization[M. Marks, E. Niewiadomska-Szynkiewicz] Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

13. Estymacja odległości • Ustalenie położenia węzłów jest procesem złożonym, wymagającym wykorzystania: • technik analizujących propagację sygnałów radiowych • pomiary kątów odbieranych sygnałów (AoA) • pomiary sygnałów radiowych • RSSI • (ReceivedSignalStrengthIndicator) • ToA • (Time of Arrival) • TDoA • (Time-Difference of Arrival) • algorytmów przetwarzających uzyskane dane w • estymaty położenia węzłów Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

14. Zadanie lokalizacji wykorzystujące miarę odległości • Rozważmy następującą sieć sensorów (M + N węzłów): • M– liczba węzłów • bazowych • N – liczba węzłów • niebazowych • (poszukiwanych) - węzły bazowe - węzły poszukiwane Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

15. Proces lokalizacji Proces lokalizacji – od pomiaru sygnałów do położenia węzłów Pomiary RSSI 1) Etap kalibracji Odległości między węzłami 2) Etap lokalizacji Współrzędne węzłów Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

16. Modelowanie propagacji sygnałów radiowych • Średnia moc odbieranych sygnałów zanika logarytmicznie wraz ze wzrostem odległości. • Średnia utrata mocy sygnału (ang. path loss) może być wyrażona jako funkcja odległości: – odległość pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem – odległość referencyjna (zazwyczaj 1m) – współczynnik zanikania sygnału (zależny od środowiska) Siła odbieranego sygnałuPrw odległości dwynosi: – moc nadajnika Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

17. Etap kalibracji – zbiór trenujący Dla każdej pary węzłów bazowych (i, j), które są w zasięgu komunikacji mierzymy siłę odbiera-nych sygnałów . Otrzymujemy zbiór par: • rzeczywista odległość • między węzłami i oraz j - węzły bazowe - węzły poszukiwane Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

18. Etap kalibracji – wyznaczenie odległości Średnia odległość między węzłamiiorazjjako funkcja siły odbieranych sygnałów. const uproszczenie • estymowana odległość między węzłami i oraz j Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

19. Etap kalibracji – optymalizacja Cel:Wyznaczenie wartości parametrówaib Dostępne dane: Zbiór par – RSSI, odległość Funkcja celu : Do wyznaczenia wartości parametrów a i b (gwarantujcych minimalny błąd między pomiarami odległości a ich estymatami) użyta została metoda najmniejszych kwadratów: Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

20. Ni i Sformułowanie zadania optymalizacji • Cel: • Wyznaczenie położeniaNwęzłów Dostępne dane: Macierz odległości pomiędzy węzłamiPołożenie węzłów bazowych Ograniczenia:W zadaniu występują nierównościowe ograniczenia wynikające z sąsiedztwa węzłów. (zbiór sąsiadów) dla – zasięg transmisji Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

21. Sformułowanie zadania optymalizacji dla SDP • Zadanie formułowane przy użyciu estymaty współrzędnych węzłów oraz ich odległości od węzłów sąsiednich. • Funkcja celu JSDP reprezentuje ilościową miarę jakości estymacji współrzędnych węzłów. – błąd w oszacowaniu położenia węzłów i i j – estymaty współrzędnych położenia węzłów i i j –zmierzona minimalna i maksymalna odległość między parą (i,j) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

22. Sformułowanie zadania dla optymalizacji stochastycznej Funkcja celu: gdzie: – znane położenie węzła bazowegok – estymaty położenia węzłówi oraz j – zbiór sąsiadów węzła bazowego k – zbiór sąsiadów węzła niebazowego i –zmierzona odległość pomiędzy parą węzłów (k,j) –zmierzona odległość pomiędzy parą węzłów(i,j) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

23. Etap lokalizacji • Dwufazowa metoda lokalizacji TSA • Działanie algorytmu składa się z dwóch faz: • Faza IWyznaczenie rozwiązania początkowego za pomocą metody trilateracji • Faza IIIteracyjne poprawianie rozwiązania pierwszej fazy poprzez zastosowanie optymalizacji stochastycznej • Dodatkowa operacja: korekta położenia węzłów naruszających największą liczbę ograniczeń Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

24. Etap lokalizacji - zakończenie I fazy • Na koniec I fazy otrzymujemy wstępną lokalizację węzłów, która jest dalej poprawiana w II fazie - węzły bazowe węzły poszukiwane - poprawna lokalizacja - estymata położenia Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

25. Etap lokalizacji – faza II Operacja przesunięcia • T = temperatura początkowa • Δd = początkowa odległość • WHILE (T > temparatura_koncowa) • { • FOR i = 1 to P * (N - M) • { • wybierz modyfikowany węzeł • modyfikuj wybrany punkt • wyznacz zmianę wartości funkcji celu ΔCF • IF (ΔCF <= 0) • akceptuj zmodyfikowany węzeł • ELSE wylosuj rp = uniform(0,1) • IF ( rp <= exp(- ΔCF/T)) akceptuj zmodyfikowany węzeł ELSE odrzuć modyfikację • } • TNEW = α * TOLD • ΔdNEW = β * ΔdOLD • } Wykonywane jest przesunięcie węzła w wybranym losowo kierunku o odległość Δd (odległość przesunięcia jest zmniejszana wraz ze spadkiem temperatury) Schemat schładzania Geometryczny: TNEW = α * TOLD Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

26. Etap lokalizacji - operacja korekty odbitych punktów • Przeprowadzone doświadczenia wykazały, że całkowity błąd lokalizacji najczęściej jest skutkiem błędnej lokalizacji pojedynczych węzłów, które w wyniku "odbicia" zostały błędnie zlokalizowane. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

27. Eksperymenty symulacyjne – generowanie topologii sieci • Eksperymenty symulacyjne • Generowanie topologii sieci: • Modele sieci zostały utworzone za pomocą narzędzia Link Layer Model for MATLAB(M. Zuniga, B. Krishnamachari) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

28. Eksperymenty symulacyjne – ocena etapu lokalizacji Ocena dokładności lokalizacji(location error) wyrażona w procentach, normalizowana przez zasięg transmisji r gdzie: – rzeczywiste położenie węzła i w sieci – estymowane położenie węzła i w sieci – zasięg transmisji Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

29. Rozmieszczenie węzłów bazowych Węzły bazowe równomiernie rozmieszczone Metoda dwufazowa TSA Błąd lokalizacji: 1.32 Czas obliczeń: 17.00 s Błąd lokalizacji: 0.14 Czas obliczeń: 2.00 s Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

30. Rozmieszczenie węzłów bazowych #2 Węzły bazowe nierównomiernie rozmieszczone Metoda dwufazowa TSA Błąd lokalizacji: 98.34 Czas obliczeń: 9.50 s Błąd lokalizacji: 0.24 Czas obliczeń: 2.00 s Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

31. Rozmieszczenie węzłów bazowych #3 Węzły bazowe nierównomiernie rozmieszczone Metoda dwufazowa TSA Błąd lokalizacji: 147.44 Czas obliczeń: 15.00 s Błąd lokalizacji: 7.34 Czas obliczeń: 2.00 s Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

32. Zarządzanie transmisją w sieciach ad hoc Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

33. Projektowanie energooszczędnych sieci ad hoc Projektowanie sieci ze zwróceniem szczególnej uwagi na efektywne wykorzystanie zasobów energetycznych węzłów Sterowanie topologią (Topology Control TC) Metody oszczędzania energii (Power Save PS) Techniki zakładające podział sieci na mniejsze podsieci (klasteryzacja) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

34. Sterowanie topologią Moc wymagana do przesłania komunikatu pomiędzy dwoma węzłami jest proporcjonalna do odległości pomiędzy nimi. W sieci pożądane są krótkie transmisje, które wymagają mniejszego zużycia energii. B C A Zakłada się, że węzeł ma wpływ na moc wykorzystywaną do przesłania komunikatu. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

35. Sterowanie topologią a model OSI Ruting OSI – warstwa sieciowa Wywołanie protokołów TC Aktualizacja rutingu Sterowanie topologią Wywołanie Protokołu TC Moc transmisji Protokół MAC OSI – warstwa łącza danych • Zadanie algorytmów TC – przypisanie każdemu węzłowi poziomu mocy wykorzystywanego do nadawania komunikatu, tak aby minimalizować energię zachowując spójność sieci. • Ruting– wybór ścieżek w zależności od zasobów energetycznych węzłów. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

36. Wybrane protokołów Protokoły wykorzystujące dane o położeniu węzłów (Location-based TC) R&M [RodopluiMeng] LMST (Local Minimum SpanningTree) [Li, Wang, Song] Protokoły wykorzystujące kierunek położenia sąsiadów (Direction-based TC) CBTC (Cone-basedTopologyControl) [Li and Wattenhofer] DistRNG [Borbash and Jennings] Protokoły wykorzystujące węzły sąsiednie (Neighbor-based TC) KNeight (K-neighborsgraph) [Xue i Kumar] XTC [Wattenhofer i Zollinger Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

37. Topologie dla różnych protokołów (węzły MICA2) Wyłączone TC Protokół R&M Protokół LMST Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

38. Zużycie energii – różne protokoły TC Zużycie energii – transmisja do stacji bazowej rm – protokół R&M lmst0 – protokół LMST (dopuszczalne łącza jednokierunkowe) lmst1 – protokół (tylko łącza dwukierunkowe) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

39. Metody oszczędzania energii (Power Save) • Odbiornik radiowy w węźle może działać w jednym z czterech trybów, różniących się zużyciem energii: • nadawanie – nadawany jest sygnał do innych węzłów • (największe zużycie energii), • odbiór – odbierany jest komunikat od innego węzła • (średnie zużycie energii), • czuwanie – odbiornik nie wykonuje żadnej operacji, jest włączony i gotowy do przejścia w stan nadawania lub odbierania danych (małe zużycie energii), • uśpienie – odbiornik radiowy jest wyłączony. Protokoły PS wymuszają ograniczanie użycia energii przez wprowadzanie odbiornika w stan uśpienia. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

40. Wybrane protokoły Power Save (PS) Zasada działania protokołów PS • Węzły okresowo budzą się i wymieniają dane • Cykle uśpienia węzłów muszą być synchronizowane • Czas trwania fazy uśpienia musi być odpowiednio dobrany Wybrane protokoły PS: SPAN [Chen, Jamieson, Balakrishnan, Morris] wybór (elekcja) węzłów-koordynatorów znajdujących się w stanie aktywnym (przechowujących dane dla uśpionych węzłów) GAF[Heidemann, Xu, Estrin] znajomość położenia geograficznego, klasteryzacja, węzły równoważne CPS (Coordinated Power Save) [Kwaśniewski, Niewiadomska-Szynkiewicz] znajomość położenia geograficznego, klasteryzacja, koordynacja periodyczna. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

41. E. Niewiadomska-Szynkiewicz, Andrzej Sikora Modelowanie ruchu węzłów mobilnych sieci ad hoc Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

42. Modelowanie ruchu Różne podejścia do modelowania ruchu węzłów (modele mobilności) • Modele losowe „Random-motion model” Każdy węzeł losuje z rozkładu jednostajnego kierunek przemieszczania się i szybkość ruchu – następnie przemieszcza się w wyznaczonym kierunku. • Modele deterministyczne „Map-based mobility models” • Węzły poruszają się tylko po ściśle wyznaczonych trasach (np. drogach zaznaczonych na mapie). • Modele wykorzystujące funkcję potencjału • Ruch obiektu jest opisany przez funkcję potencjału. Cel przyciąga obiekt, przeszkoda odpycha. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

43. Autorski model wykorzystujący funkcję potencjału • Wymagania: • uzyskanie zbliżonej do naturalnej charakterystyki ruchu obiektów, • (np. zwalnianie przy zmianie kierunku ruchu lub przy zbliżaniu sie do celu), • wydajna i uniwersalna strategia nawigacji • (omijanie przeszkód, dotarcie do celu lub ucieczka przed zagrożeniem), • różne charakterystyki ruchu obiektów mobilnych różnego typu Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

44. E. Niewiadomska-Szynkiewicz, Andrzej Sikora Symulacja w zadaniach projektowania i zarządzania sieciami ad hoc SYMULATORY Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

45. Symulatory sieci bezprzewodowych Symulatory sieci przewodowych i bezprzewodowych OPNET http://www.opnet.com • wspiera symulację rozproszoną, najbardziej popularny, C i Fortran (komercyjny) NS-2 [projekt VINT] http://www.isi.edu/nsnam/ns • najczęściej stosowany w ośrodkach badawczych, C++ i OTcl (dostępne źródła) • OMNET++ [A. Varga] http://www.omnetpp.org • wygodny interfejs graficzny, symulacja rozproszona, C++ (dostępne źródła) GloMoSim[Univ. of California] http://pcl.cs.ucla.edu.projects/glomosim/ • symulacja dużych sieci bezprzewodowych, C (dostępne źródła) QualNet[Scalable Network Technologies] http://www.scalable-networks.com • rozszerzona wersja GloMoSim, C (komercyjna) • NCTUnshttp://www.nsl10.csie.nctu.edu.tw • symulator i emulator sieci bezprzewodowych (dostępne źródła) • Symulatory sieci bezprzewodowych czujników • SENSE [Szymański i Chen, Rensselaer Polytechnic Institute] • SEnsor Network Simulator and Emulator, C++ (dostępne źródła) • SWAN http://www.eg.bucknell.edu/swan/doc/ • wykorzystuje bibliotekę JiST (Java in Simulation Time) (dostępne źródła) • VANS [Osaka University] • rozbudowane GUI, Java (dostępne źródła) Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

46. MobAsim: autorski symulator sieci WSN i MANET • Modelowanie sieci • Transmisja bezprzewodowa, • Mobliność węzłów, • Modelowanie terenu (SVG lub GIS). • Zapis modelu i gromadzonych wyników symulacji w wbudowanej bazie danych SQL. • Zarządzanie rozproszoną federacją symulatorów. • Generowanie animacji zgodnych z standardem SVG (Scalable Vector Graphics). • Symulacja sieci • Biblioteka synchronizacji obliczeń • Biblioteka komunikacji pomiędzy symulatorami sfederowanymi. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

47. Interconnectivity RTI Simulator 1 Simulator 2 RTI – network connection Domain B Domain C Hierarchy LP B/1 LP B/2 LP B/3 Domain C/1 LP C/2 Local memory Local memory Domain C/1/1 LP C/1/1/1 LP C/1/1/2 LP C/1/1/2/1 LP C/1/1/2/2 LP C/1/1/2/3 Architektura MobAsim - federacja symulatorów Symulowana sieć podzielona na kilka podsieci. Każda podsieć symulowana przez odpowiedni proces obliczeniowy. Hierarchiczna struktura symulatora – trzy poziomy hierarchii. Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

48. Interfejs graficzny symulatora Przykład symulacji: akcja ratunkowa Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

49. Symulacja 10 godzin działania sieci WSN System komputerowy Wyniki symulacji: przyspieszenie obliczeń Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc

50. Symulacja sieci MANET (akcja ratunkowa) T=10 T=20 T=40 T=50 Metody projektowania i zarządzania sieciami ad hoc