Беспроводной канал в сенсорных сетях

Садков АлександрАспирант РФaxel@wl.unn.ruhttp://www.wl.unn.ru

Сайт курса:

http://www.sumkino.com/wsn/course

План Введение

Эффекты в беспроводных каналах связи

Пространственные характеристики Потери пакетов в канале Ассиметричные каналы Временные характеристики Эффект «захвата».

Влияние на протоколы верхних уровней

Моделирование.

Заключение

Введениев беспроводные каналы связи в сенсорных сетях

Основы распространения радиоволн

Простая модель: Волновой фронт распространения радиоволн от изотропного источника в свободном пространстве.

Pr = Pt A / (4πr2) Мощность сигнала обратнопропорциональна расстоянию.

Характеристики антенны.

Основы распространения радиоволн

Отражение Радио волны отражаются от объектов >> λ (30 cm @1 GHz) Земная поверхность, стены, мебель, здания.

Дифракция Радио трасса может перекрываться множеством объектов. Радиоволны могут огибать такие препятствия. Это объясняет каким образом существует радиосвязь в

отстутствии прмой видимости.

Рассеяние Когда среда имеет множество объектов < λ (30cm @1 GHz) Принцип похож на дифракцию, но рассеивается во множестве

направлений. Шероховатые поверхности, небольшие объекты.

Другие : Fading and multipath

Основы распространения радиоволн

Крупномасштабные и мелкомасштабные эффекты.

Потери распространения (Path Loss).

Затенения (Shadowing)

Замирания (Fading)

Основы распространения радиоволнLog-normal shadowing model

Мощность сигнала затухает с расстоянием с постоянной экспонентой, которая зависит от условий окружающей среды.

Затенения

Связаны с ослаблением сигнала вследствии пересечения затенящими объектами линии пересечения приемника и передатчика. Могут моделироваться как логарифмический член с гауссовским распределением.

PL(d) = PL(d0 ) +10 n log (d / d0 ) + Xσ

Основы распространения радиоволн Log-normal shadowing model

Небольшой масштаб – порядка длины волны.

Интерференция волн, отраженных от разных объектов. Сильное влияние в indoor environment.

Моделируется с помощью различных распределений.

Релеевские каналы. Райсовские каналы.

В идеальном случае, когда нет мобильных объектов и вся обстановка статична, замирания не должны зависеть от времени.

Основы распространения радиоволн Log-normal shadowing model

K. Sohrabi, B. Manriquez, and G. Pottie, "Near Ground Wideband Channel Measurement", IEEE Vehicular Technology Conference, 1999.

Основы распространения радиоволн Low-power wireless links

Окружающая среда Как узлы ведут себя в реальной среде (лес, земля и т.д.)

Масштабируемость. Какие радио характеристики проявляются в больших сетях (возможно с большой плотностью).

Взаимодействие между уровнями. Как влияет на протоколы сетевого и MAC уровней.

Моделирование. Как моделировать беспроводные каналы для повышения точности симуляторов.

Основы распространения радиоволнПочему сложно изучать и моделировать?

Технологии «железа». Частота, тип антенны, уровень мощности, чувствительность, модуляция, кодирование.

Различные приложения. MAC, размер пакета, схемы повторной передачи, распределение трафика.

Условия окружающей среды. Indoor/Outdoor, окружающие материалы, погодные условия, условия размещения (LOS or NLOS).

Различные эффекты в беспроводных каналах

связи

Эффекты в беспроводных каналах связи

Пространственные эффекты

CC1000 Radio Propagation Zigbee Radio Propagation

*Zhou et. al. 04, Polastre et al, 04

Эффекты в беспроводных каналах связи

Пространственные эффекты

Непрерывное изменение. Потери сигнала меняются непрерывно с изменением рассматриваемого угла.

Причины. Отражение, дифракция, рассеивание. Диаграмма направленности антенны. Особенности железа.

Эффекты в беспроводных каналах связи

Пространственные эффекты

Low transmit power High transmit power

Неизотропность RSSI проявляется в сильной вариации PRR.

D. Ganesan, B. Krishnamachari, A. Woo, D. Culler, D. Estrin, and S. Wicker. Complex Behavior at Scale: An Experimental Study of Low-Power Wireless Sensor Networks.

Эффекты в беспроводных каналах связи

Transition regionReception rate vs Distance

Reception Rate: процент принятых пакетов от переданых.

Нет четкой корелляции от расстояния. Сильно варьируется.

Среднее значение соответствует традиционной модели распространения радиоволн d-n.

Эффекты в беспроводных каналах связи

Transition region

A. Woo, T. Tong, and D. Culler. Taming the Underlying Challenges of Reliable Multihop Routing in Sensor Networks. Sensys'03.

Множество соседних узлов может попасть в «переходную область».

Эффекты в беспроводных каналах связи

Transition region

Эффекты в беспроводных каналах связи

Link Asymmetry

Узел A может передавать узлу B, а узел B не может передавать узлу A.

Почему ассиметричные линки становяться проблемой? Узел A думает, что B его сосед и посылает ему пакет, но никогда не получает ACK. Существование ассиметрии требует идентификации узлов как «хороших» соседей.

Откуда появляются ассиметричные каналы? Законы физики не позволяют этого. Все эффекты в каналах связи симметричны: потери распространения, затенения, многолучевое распространение.

Эффекты в беспроводных каналах связи

Link Asymmetry

Kotz et al

Эффекты в беспроводных каналах связи

Link Asymmetry

Преобладающее количество ассиметричных каналов находятся в переходной зоне

Ganesan et al

Эффекты в беспроводных каналах связи

Link Asymmetry При смене местами узлов, ассиметричные каналы инвертировались.

Ассиметричность вызвана неточностями в калибровке «железа» и не связана с условиями окружающей среды.

Эффекты в беспроводных каналах связи

Temporal variability

Cerpa et. al. 03

Эффекты в беспроводных каналах связи

Temporal variabilityNode 1 , RSSI Node 2, RSSI

Эффекты в беспроводных каналах связи

Temporal variabilityNode 2, RSSI Node 2, Temperature

Эффекты в беспроводных каналах связи

Zhou et al

Один узел с различным уровнем заряда батарей

Разные узлы с одним уровнем заряда батарей

Разные узлы имеют разные передаваемые мощности из-за: Разного уровня заряда батарей. Разной калибровки «железа»

Эффекты в беспроводных каналах связи

Concurrent Packet Transmissions

Dongjin Son, Bhaskar Krishnamachari,John Heidemann ,” Experimental Analysis of Concurrent Packet Transmissions in Low-PowerWireless Networks”

Эффекты в беспроводных каналах связи

Capture EffectМощность передатчика SRC2 фиксирована на -4dBm.

PRR RSSI

Эффекты в беспроводных каналах связи

Capture Effect

Принимаются пакетыот 2-го передатчика

Принимаются пакетыот 1-го передатчикаВсе пакеты потеряны

Эффекты в беспроводных каналах связи

Capture Effect

Эффекты в беспроводных каналах связи

Capture Effect Зависит от

устройства приемника

Может быть использован для обнаружения коллизий

*Exploiting The Capture Effect For Collision Detection And Recovery. Whitehouse, Woo, Jiang, Polastre, Culler

Влияние эффектов беспроводного канала

связи на протоколы верхних уровней.

Влияние на протоколы верхних уровней

Asymmetric Links Многие приложения используют флудиг и передачу по обратному пути (reverse path forwarding (RPF)).

Flooding + RPF = Беда Flooding полагается на длинные линки, чтобы передавать информацию как можно быстрее. Длинные линки часто ассиметричны, так как лежат в переходной зоне. RPF не может передать информацию.

Пример длинных линков + асимметрии оказывает негативное влияние на протоколы верхних уровней.

Влияние на протоколы верхних уровней

Asymmetric Links Подход 1: Избежание асимметричных каналов.

Идея: Запретить асимметричные каналы и удалить их из таблиц соседей. Достоинства: Эффективно в плотных сетях, где существует много двунаправленных каналов. Недостатки: Система может потерять некоторые «хорошие» каналы.

Подход 2: Использование асимметричных каналов. Идея: Асимметричные каналы часто длинные и могут достигать дальних узлов. Можно сократить число хопов. Достоинства: Использование таких каналов позволяет сократить число хопов, повысить пропускную способность, уменьшить задержки. Недостатки: Невозможно использование обратной связи.

Влияние на протоколы верхних уровней

Размер пакета PRR зависит не только от расстояния и окружающих условий, но и от используемой схемы коррекции ошибок.

Небольшие пакеты менее подвержены ошибкам. Меньше бит в пакете -> меньше вероятность ошибки пакета.

Влияние:

Узлы использующие короткие пакеты, не могут точно определить PRR при использовании более длинных пакетов.

Использование коротких пакетов, для увеличения дальности передачи. Например, контрольные пакеты короткие и имеют бльшую вероятность правильного приема.

Влияние на протоколы верхних уровней

Неизотропность радио покрытияВлияние на MAC уровень

Влияние на протоколы верхних уровней

Неизотропность радио покрытия

Влияние DOI фактора Влияние VSP фактора

Влияние на MAC уровень

Влияние на протоколы верхних уровней

Неизотропность радио покрытияВлияние на сетевой уровень

Влияние DOI фактора Влияние VSP фактора

Влияние на протоколы верхних уровней

Неизотропность радио покрытияВлияние на сетевой уровень

Влияние DOI фактора Влияние VSP фактора

Влияние на протоколы верхних уровней

Неизотропность радио покрытияВлияние на сетевой уровень

Влияние DOI фактора Влияние VSP фактора

Моделирование беспроводных каналов

связи

Моделирование

Ganesan et. al. "Complex Behavior at Scale: An Experimental Study of Low-Power Wireless Sensor Networks,“ UCLA CS Technical Report UCLA/CSD-TR 02-0013, 2002.

Основная метрика это Packet Reception Rate (PRR)

Моделирование

Степень не изотропности (DOI). Определение: Максимальный процент вариации потерь распространения на единицу градуса направления распространения. Необходимо для учета неизотропности потерь распространения.

Вариация передаваемой мощности (VSP). Максимальный процент вариации передаваемой мощности среди различных узлов. Необходимо для учета различия в калибровке.

Gang Zhou, Tian He, Sunda Krishnamurthy, John A. Stankovic, “Impact of Radio Irregularity on Wireless Sensor Networks”..

Моделирование

Signal receiving power = signal sending power - path loss + fading

Signal receiving power = VSP adjusted signal sending power – DOI adjusted path loss + fading

VSP adjusted signal sending power = signal sending power * (1 ± RandomNum*VSP)Where RandomNum Є Normal Distribution

DOI adjusted path loss = path loss* KD

K0 = 1K3 = K2* (1± RandomNum * DOI)K2 = K1 * (1± RandomNum* DOI)K1 = K0 * (1± RandomNum* DOI)Where RandomNum Weibull Distribution

МоделированиеChannel Models

Модель свободного пространства. Самая простая. Редко используется

Модель однократного отражения от земли. Учитывает влияние поверхности земли.

Логарифмическая модель с затенениями (Log-normal shadowing model)

Эмпирическая модель. Наиболее распространенная.

Модель на основе пароболического уравнения. Достаточно точная. Вычислительно сложная.

Статистические модели.

МоделированиеChannel & Radio Models

α = Eb/N0

МоделированиеTransition region

Характеризуется:

Асимметричные каналы

Сильная нестабильность в пространстве/времени.

Высокая чувствительность к «железу».

Marco Zuniga and Bhaskar Krishnamachari, Analyzing the Transitional Region in Low Power Wireless Links

МоделированиеTransition region

SNR

PRR

МоделированиеTransition region

TR coefficient (Γ) = width transitional region / width of connected region

Наблюдения:

Γ заивисит в основном от η и σ

Выходная мощность не влияет на коэффициент Γ

Размер фрейма и тип кодирования не оказывают сильное влияние на Г.

МоделированиеTransition region

МоделированиеTransition region

МоделированиеTransition region

МоделированиеTransition region

МоделированиеTransition region

МоделированиеTransition region

МоделированиеCapture Effect

Signal-to-interference-plus-noise-ratio

10/

10/10/

10 10

1010log10

dBm

dBmdBm

JRIS

NRSS

dBSINR

)2(8)( )2

11( 10 lfSINRePRR

Packet reception rate

n

iIFRi

RISJRIS1

Joint received interference strength

38255.176696.201365.0 231 RSSRSSRSS (RSS - Received signal strength)

Заключение

Эффекты в беспроводных каналах связи

Влияние на протоколы верхних уровней

Моделирование.

Литература

Analyzing the Transitional Region in Low Power Wireless Links arco Zuniga and Bhaskar Krishnamachari

Experimental Analysis of Concurrent Packet Transmissions Dongjin Son , Bhaskar Krishnamachari, John Heidemann

Exploiting The Capture Effect For Collision Detection And Recovery Kamin Whitehouse. Alec Woo. Fred Jiang. Joseph Polastre. David Culler

SCALE a tool for Simple Connectivity Assessment in Lossy Environments A. Cerpa, N. Busek, D. Estrin

Understanding the Causes of Packet Delivery Success and Failure in Dense WSN Technical Report SING-06-00. Kannan Srinivasan and Philip Levis

The End