Syncronisation & Timing in Sensor Networks
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Titel Bastian L. Blywis Synchronisation und Topologiemessung in Sensor-Netzwerken Sensornetze ● ● ● ● ● ● ● drahtlose Kommunikation kleine Ausmaße evtl. mobil mit verschiedensten Sensoren geringe Rechenleistung wenig Speicherplatz kostengünstig Quelle: Embedded Sensor Board ESB 430/1, www.scatterweb.com Aufgaben ● ● ● ● ● ● ● Gebäudeüberwachung erkennen von Waldbränden Bergung von Lawinenopfern detektieren von Gewässerverunreinigung Bewegungstracking Aufbau eines Netzes ohne feste Infrastruktur Vernetztes Haus Probleme ● ● ● ● ● ● begrenzte Energiequelle unbekannte Anzahl → Skalierbarkeit evtl. partitioniertes Netz Komplexität der Aufgaben gemeinsames Übertragungsmedium keine zentrale Steuerungsinstanz Warum Synchronisation? ● ● ● ● ● ● gleichzeitiges Aufwachen aller Geräte Datensammlung erkennen von Dubletten Zeitmultiplex Ausbreitungsrichtung feststellen Quarzoszillatoren ungenau Reference Broadcast System Broadcast Domäne Referenzsender Quelle: Elson, Girod, Estrin. „Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcast“ RBS: Routing Broadcast Domänen Gateway Quelle: Elson, Girod, Estrin. „Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcast“ Zusammenfassung RBS ● ● ● ● ● ● ● ● ● neuartiger Ansatz eine einzige Referenz genügt minimal wenig speicher- und rechenintensiv kein nicht-determinismus des Empfängers Synchronisation von Domänen Routing möglich Post-Facto Synchronisation möglich je mehr Knoten, desto mehr Abweichung je mehr Referenzpakete, desto Genauer Quelle: Elson, Girod, Estrin. „Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcast“ tiny-sync ● ● ● ● zwei mögliche Algorithmen Wert eingrenzen Austausch mehrerer Pakete geringe Speicher- und Rechenanforderung Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“ Abschätzung Abschätzung der RealZeit t durch: ti(t) = ait + bi Für zwei Knoten gilt: t1(t) = a1t + b1 t2(t) = a2t + b2 → t12(t) = a12t + b12 a: Stabilität des Oszillators b: Versatz zu Beginn Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“ Zeitpunkte bestimmen K1 tx K2 message ty tz t reply t Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“ Abschätzung der Parameter Datenpunkt 3 t/s tz3 tx3 Datenpunkt 2 tz2 tx2 Datenpunkt 1 tz1 tx1 a12 b12 ty1 ty2 ty3 t/s Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“ mini-sync ● ● ● ● viele Datenpunkte → bessere Abschätzung begrenzter Speicherplatz → wenige Punkte speichern Lösung 1: nur zwei Tripel speichern Lösung 2: nur nützliche Werte Speichern Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“ Werte filtern verwerfen von txi mit steigung(txi,txj) ≤ steigung(txj,txk) 1≤ i≤ j≤ k für tzi in ähnlicher Weise möglich Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“ Zusammenfassung tiny- und mini-sync ● ● ● ● zwei Möglichkeiten je nach Speicher und CPU auswählbar während des Betriebs umschaltbar Experiment: tiny nur um 2% ungenauer Quelle: Sichitiu, Veerarittiphan. „Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks“ Römer ● ● ● ● kein Zeitpunkt, sondern Intervall Intervall wird beim routing durch Fehler größert Voraussetzung 1: Stabilität pi bekannt Voraussetzung 2: Austausch zweier Pakete Quelle: Römer. „Time Synchronization in Ad Hoc Networks“ Austausch von zwei Paketen M1 t1 idle t2 t3 K2 rtt K1 M2 t4 t3 t5 t t Quelle: Römer. „Time Synchronization in Ad Hoc Networks“ Intervall-Transformation erhalten: [tx,ty] transformiert: [t4-(t3-tx)(1+p2)/(1-p1)-(rtt-idle(1-p2)/(1+p1)), t4-(t3-ty)(1-p2)/(1+p1)] Quelle: Römer. „Time Synchronization in Ad Hoc Networks“ Zusammenfassung Römer ● ● ● ● ● Intervall zur Abschätzung, Fehler ablesbar Vorausetzung: mind. zwei Pakete Vorausetzung: pi bekannt idle gering halten idle und rtt für jedes Paket bestimmt Quelle: Römer. „Time Synchronization in Ad Hoc Networks“ Warum Topologiemessung? ● ● ● ● routing in eine geographische Region feststellen der Netztopologie bestimmen des Aufenthaltsortes Netzabdeckung testen Wodurch Topologiemessung? ● ● ● ● ● Abstände zwischen je zwei Punkten bestimmen abhängig von vorhandener Hardware Funkwellen Licht / Laser Schall / Ultraschall Wie Topologiemessung? ● ● ● ● ● inkrementieren der Sendestärke Empfangsstärke bestimmen Zeitunterschied Verbindungen Winkel Lateration ● ● ● Quelle: Hightower, Borriello. „Location Sensing Techniques“ 2D: mind. drei nicht collineare Punkte 3D: mind. vier nicht coplanare Punkte aber: Bedingungen können aufgeweicht werden Angulation ● N ● N α ● d β Quelle: Hightower, Borriello. „Location Sensing Techniques“ Abstand d bekannt Winkel α und β messbar festgelegter Vektor, z.B. Richtung Nordpol Verbindungen ● ● ● ● Quelle: Hightower, Borriello. „Location Sensing Techniques“ Ankernetz vorhanden Position der Anker bekannt gleiche Sendereichweite „range-free“ Approximate Point-InTriangulation Test K' K C B Quelle: He, Huang, Blum, Stankovic, Abdelzaher. „Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Network Grid SCAN 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 2 1 1 1 0 0 0 1 2 2 2 1 1 0 0 0 0 3 3 1 1 1 1 0 1 2 3 3 2 1 1 1 0 1 1 2 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 Quelle: He, Huang, Blum, Stankovic, Abdelzaher. „Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Network Self-Positioning Algorithm jeder Knoten N0 führt aus: 1. finde alle Nachbarn Ni 2. bestimme Abstand zu allen Ni 3. sende diese Daten an alle Ni Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“ Local View Set N0 N1 d01 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“ Local View Set N2 d02 d12 N0 N1 d01 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“ Zwei Local View Sets N3 N2 d03 d02 d34 d12 N0 N1 d01 N0 N4 d04 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“ Zwei Local View Sets zusammen N4 N2 N3 N0 N1 N3 N4 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“ Zwei Local View Sets zusammen N2 N4 N0 N1 N3 N4 N3 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“ Zwei Local View Sets zusammen N2 N4 N0 N1 N4 N3 N3 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“ Zwei Local View Sets mit neuem Knoten N3 N2 N5 N0 N1 N4 N0 N5 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“ Zwei Local View Sets vereint N2 N0 N1 N5 N4 N3 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“ n-hop entfernte Nachbarn N2 N1 N0 Quelle: Capkun, Hamdi, Hubaux. „GPS-free positioning in mobile ad hoc networkss“ Ende Danke Bastian L. Blywis [email protected] WS2003/04 FU-Berlin, FB Informatik
