©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-1

Trådløse sensor nettverkIFI, 01.03.2006

Niels Aakvaag

ABB Corporate Research

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-2

Plan

Litt om ABB

Generelt om trådløse sensor nettverk

State-of-the-art

Applikasjoner i prosessindustrien

Kritiske parametre

Effekt, Nodetetthet, Latenstid

Standarder

ZigBee og Bluetooth

HART

Proprietære løsninger

Forskningsinnsats

MAC, NTW og power

Joint optimisation trådløs + kontroll

Prosjekter i ABB

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-3

ABB investerer årlig USD 930M i R&D

95

Order-relateddevelopment

Product development

Research

317

518

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-4

Global Labs and Locations6 Sites

in Europe

2 Sites in USA

Baden-Dättwil

KrakowLadenburg

OsloVästerås

Vaasa

BangaloreRaleigh

Wickliffe 2 Sitesin Asia

Beijing/Shanghai

Automation TechnologiesCH, SE, US W, DE, NO, IN

Power TechnologiesCH, SE, US R, PL, FI, (CN)

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-5

Plan

Litt om ABB

Generelt om trådløse sensor nettverk

State-of-the-art

Applikasjoner i prosessindustrien

Kritiske parametre

Effekt, Nodetetthet, Latenstid

Standarder

ZigBee og Bluetooth

HART

Proprietære løsninger

Forskningsinnsats

MAC, NTW og power

Joint optimisation trådløs + kontroll

Prosjekter i ABB

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-6

Wireless Sensor Networks (WSN) - hva er nytt?

Multihopp

Alle noder kan rute

Trenger ingen fast infrastruktur

Dekning lenger enn et enkelt radio-hopp

Ingen nettverksplanlegging

Rask utrulling av store nettverk

Selvrettende / rekonfigurerende

Tåler å miste enkeltnoder

Nettverk er relativt statisk

Nettverkets levetid viktig parameter

Rettferdighet mindre viktig

Topologien er ofte en logisk stjerne

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-7

Muligheter i åpen sløyfe

Applikasjonsområder i industriell automasjon:

Tilstandsovervåking. Detektere slitasje på utstyr

Holde styr på inventar

Benchmarking

Andre områder:

Monitorering av miljø

Forsvar

Bygningsautomasjon

Generelle krav:

Korte pakker

Lav gjennomsnittlig datarate

Lite effekt (batteridrift)

Control roomFieldbus

SensorSensorSensor

Control roomFieldbus

SensorSensorRemovable

SensorRemovable

Sensor

Off-lineprocessing and

optimisation

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-8

Utfordringer i åpen sløyfe

Dette er mulig!

Lage tidsstempling og store-and-forward

Produkter er allerede tilgjengelig/underveis

Honeywell

Emerson

Accutech

ABB?

Processing ofoff-line wireless

sensor data

Controlsystem

Wired sensor output

Actuation Plant

Sensors

Wireless sensor output

Non real-time

Non real-time

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-9

Muligheter i lukket sløyfe

Applikasjonsområder:

Metall

Papir

Olje og gass

Petrokjemisk

(temp, trykk, nivå,…)

Generelle krav:

Korte pakker

Lav gjennomsnittlig datarate

Lite effekt

Kort latenstid

Garanti for at pakke kommer frem

ControlSystem

Wireless Sensing

Wireless ActuationPlant

Sensors

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-10

Utfordringer i lukket sløyfe

Mye mer komplekst

Energisensitivitet

Adaptiv effektstyring (Stanford)

Cluster head management

Hot-spots og tømming av sentrale noder

Latens “garantier” over multihop nettverk

Interessant arbeid på medium aksess nivå (MAC), f.eks ikke-uniform back-off, skedulert transmisjon, …

Quality of service (QoS) i rutingalgoritmer

Robuste kontrollalgoritmer

Kalman filtrering med manglende data sampler

Cross layer optimalisering

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-11

Plan

Litt om ABB

Generelt om trådløse sensor nettverk

State-of-the-art

Applikasjoner i prosessindustrien

Kritiske parametre

Effekt, Nodetetthet, Latenstid

Standarder

ZigBee, Bluetooth, WLAN

Proprietære løsninger (WISA)

Forskningsinnsats

MAC, NTW og power

Joint optimisation trådløs + kontroll

Prosjekter i ABB

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-12

Effektforbruk

ZigBee-basert node bruker typisk:

30mA i Rx/Tx

30uA i sovemodus

MÅ SOVE MYE MED BATTERI

Multihop med lavt effektforbruk

Må synkronisere duty cycle for lav effekt (kompensere for klokkedrift)

Synkronisering OK i stjernenett

Problem: dårlig støtte for tidssynkronisering i multihop

ZigBee forutsetter backbone med nettstrøm

Mains powerednode

Battery powerednode

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-13

Effektforbruk

Applikasjon:

Mange noder sender data til sentral GW

Har IKKE backbone med nettstrøm

Løsning (halvgod)

GW sender single hop multicast

Alle som mottar resynkroniserer egen klokke

Et antall noder sender videre med tidsstempling

Etter endt synkronisering unicast data tilbake til gateway

SleepSleep Timing Data Timing

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-14

Effektforbruk

Problemer med denne løsningen

Mye effekt går til å spre timing info.

Tap av effekt og båndbredde

Har ikke adgang til link nivå meldinger

Tidsestimater blir unøyaktige fordi timer på applikasjonsnivå

Multicast sendes mange ganger.

Unødig effekt

Flere kollisjoner

Tidsestimat unøyaktig

Potensielle løsninger

Timing på egen signaleringskanal (non-compliant)

Estimere stakk delay som i SNTP

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-15

Nodetetthet

Redusert kapasitet i store nettverk

Fundamentalt problem

I tillegg:

Tilgjengelig kapasitet reduseres lineært med duty cycle

( )nOT 1=

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-16

Nodetetthet

Simulert AODV med NS2

Noder plassert i 100 x 100m

Pakkefeilrate på2%

Dekning 40m

En enkel GW

Statisk nett

Antall noder

Thr

ough

put,

bps/

node

0 20 40 60 80 100 120 1402

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Bekrefter teori om sensitivitet til nodetetthet

Ved øket last går mest kapasitet til kollisjoner og route repair

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-17

Latenstid – kun MAC delay + duty cycle

Definisjon: Tid fra EVENT på node til pakke ankommet SINK

Duty cycle:Periode ON

Hopp:Antall Sannsynlighet for riktig pakke hopp i

Forutsetter:samme backoff tid

ingen delay i stakk forøvrig

Forventet latens:

dersom:

PT ONT

N OKip ,

BOT

{ } ∑=

+=N

i OKiBO

p

pT

TlatensE

1 ,

12

ON

N

i OKiBO T

pT ≤∑

=1 ,

1

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-18

Latenstid

Simulert latens gjennom multihop nettverk

Samme parametre som for nodetetthet

Late

ns (

ms)

Antall noder

0 20 40 60 80 100 120 1405

10

15

20

25

30

35

40

45

50

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-19

Plan

Litt om ABB

Generelt om trådløse sensor nettverk

State-of-the-art

Applikasjoner i prosessindustrien

Kritiske parametre

Effekt, Nodetetthet, Latenstid

Standarder

ZigBee og Bluetooth

HART

Proprietære løsninger

Forskningsinnsats

MAC, NTW og power

Joint optimisation trådløs + kontroll

Prosjekter i ABB

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-20

Bluetooth

Piconett master/slave arkitektur

syv aktive slaver per master

255 sovende noder per master

Støtter scatternets hvor noder tar del i flere piconett

Datarate på luften:

1Mbps i original versjon

3Mbps i enhanced versjon

Støtter tale

Problemer:

Piconet for lite!!!!

Sakte oppvåkning (> to sekunder)

Kompleks stakk (dyre komponenter)

Dyr kvalifisering

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-21

ZigBee oversikt

Sikter mot industrielle anvendelser, PC-utstyr, leker, smarte hjem,…

Lav effekt, lav pris, lav kompleksitet radiospesifikasjon

Ca. 20mA når aktiv, dyp søvn modi tilgjengelig

Implementasjon av stakk på liten 8 bits mikrokontroller

Tre typer eneheterPAN coordinator. Starter nettverk på ledig frekvens. Har nettstrøm

Ruter. Kan rute pakker for andre

Endenode. Ruter ikke for andre. Sover mesteparten av tiden for åspare strøm

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-22

ZigBee topolgier

Stjerne: sentral koordinator for all trafikk

Tre: multihop i hierarkisk struktur

Mesh: struktur-løs (figur fra www.zigbee.org)

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-23

ZigBee PHY

PHYsisk lag definert i tre bånd

868MHz (Europa, Asia) 20kbps (høyere i 802.15.4b)

915MHz (Amerika) 40kbps (høyere i 802.15.4b)

2.4GHz (hele verden)

I 2.4GHz ISM båndet:

250 kbps QPSK modulert (62.5ksps)

Multiplisert med fast spredesekvens for øket robusthet

16 uavhengige kanaler i 2.4GHz, hver ca. 5MHz bred

Pulsform: halv sinus

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-24

ZigBee MAC

Beaconed

Aktiv / Inaktiv periode

Slottet CSMA/CA

Non-beaconed

Unslottet CSMA/CA

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-25

ZigBee MAC

Bruker IKKE RTS/CTS for collision avoidanceEnklere enn 802.11 MAC

Reduserer båndbreddebehov

Øker sannsynlighet for kollisjon (hidden terminal problem)

Håndterer punkt-til-punkt sikkerhet. Tre modi:Ikke sikker

Access Control List

128 AES (Advanced Encryption Standard)

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-26

ZigBee NTW

NTWs primære oppgaver:Opprette nettverk, håndtere til/fra-kobling

Rute pakke gjennom nettverket

Ende-til-ende sikkerhet

ZigBee kan rute peer-to-peer eller hierarkiskPeer-to-peer er basert på AODV (Ad hoc On Demand Vector routing)

Hierarkisk. adressen angir om en destinasjonsadresse er opp eller ned i treet

Dersom en node har tilstrekkelig med ressurser bruker den peer-to-peer, ellers hierarkisk

Skiller rutere i R+ og R-R+ kan rute full mesh. Godt med minne og prosessorkraft

R- ruter kun hierarki. Enkle noder med lite ressurser

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-27

ZigBee NTW

AODV. Adhoc On Demand Vector routingHar kun tabell over:

de den kommuniserer med

der den er ruter

naboer

Sparer KUN på adressen til neste node for gitt endenode

Originalversjon sender regelmessige oppdateringer for å sikre at ruten er operativ (fjernet i ZigBee)

Route discoveryKildenode sender RREQ (Route REQuest)

Alle som tar imot sjekker sine lister og sender eventuelt videre

Endelig mottager kan få flere enn en RREQ. Velger den med lavest kost (antall hop, akkumulert RSSI, etc)

SymmetriskSamme rute tilbake, enkelt

Ikke garantert optimalt

AsymmetriskSøker rute tilbake også, mer komplisert

Bedre ruter

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-28

ZigBee NTW

Eksempel på etablering av symmetrisk rute

RREQ(src, dest, ID) er en broadcast melding!!

Kilde

Ruter 1

Ruter 2

Ruter 3

Destinasjon

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-29

Interferens og statiske fades (1)

ZigBee har valgt statisk kanal

Enkel infrastruktur

Lav effekt på endenoder

Forutsetter batteridrift av ruternoder

Interfererende kilder i 2.4GHz

WLAN

Bluetooth

Annen lisensfri transmisjon

DECT (i USA)

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-30

Interferens og statiske fades (2)

Statiske fades

Kommer av destruktive kombinasjon av multipath

Vil variere veldig sakte

Har båndbredde som tilsvarer flere ZigBee kanaler

ZigBee kan endre kanal, men ikke raskt

Problem: muligheter for at transmisjon blir blokkert

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-31

Konklusjon til ZigBee

Fungerer fint til lav effekt, lav kostnad, open loop systemer med lav tetthet

Ideell for enkle installasjoner

Men vi har tre fundamentale problemer:

Batteridrift i ruternoder synkronisert søvn. Søvn av ruternoder skalerer throughput ned

Kapasitet går ned når det er mange noder. Kommer av CSMA/CA og ruting algoritmen. Kan bare løses ved kollisjonsfri MAC

Statiske fades og interferens. Trenger frekvenshopping

For closed loop kontroll trenger vi:

Kollisjonsfrie transmisjoner

Frekvenshopp

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-32

HART (1)

HART

Highway Addressable Remote Transmitter

Brukt for instrumenter i prosessindustrien

Overlagrer informasjon på 4-20mA sløyfe

Enkel trådbundet grensesnitt på 1200 bps

Standardisert 1980 tallet

Har 95% av markedet for intelligente

instrumenter

Profibus 2.5%

Foundation Fieldbus 2.5%

Alle de største produsentene av instrumenter er med

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-33

HART (2)

Planlegger å ha trådløs standard ferdig i løpet av 2006

Basert på 802.15.4 PHY i første utgave

Eget MAC lag for kollisjonsfri aksess

Frekvenshopp for å unngå interferens og fades

Potensielle problemer

Trenger sentral kontroller. Den kommer til å bli dyr!

Må definere profiler

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-34

HART (3)

Mulige bidradgsytere

Dust networks

Corolis

Sensicast

Alle har

Frekvenshopp

Multihopp

Lavt effektforbruk

Skiller ved

Data rate

Topologi

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-35

WISA

Krav:

64 sensorer per basestasjon

Max 5ms latenstid

Ingen batteri

Pålitelighet tilsvarende tråd-

bunden

Løsning:

PHY basert på Bluetooth

Eget (ABB) MAC lag

Indusert power

Korte pakker

TDMA

Innovation Gold AwardWall Street Journal 2002

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-36

Plan

Litt om ABB

Generelt om trådløse sensor nettverk

State-of-the-art

Applikasjoner i prosessindustrien

Kritiske parametre

Effekt, Nodetetthet, Latenstid

Standarder

ZigBee og Bluetooth

HART

Proprietære løsninger

Forskningsinnsats

MAC, NTW og power

Joint optimisation trådløs + kontroll

Prosjekter i ABB

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-37

MAC lag forskning

CSMA/CABackoff strategier. Flat pdf er ikke alltid optimalt

Beaconing strategier i 802.15.4.

Variasjoner rundt RTS/CTS og hidden terminal problem

WiseMAC, S-MAC og T-MAC, microMAC,...Ønsker: lav latens, høy throughput, lite power

NON-contention

Gode skeduleringsalgoritmer og synkronisert soving

Forutsetter ofte tre-struktur. Vanskelig i full mesh

Trenger god forskning på skedulert MAC med bra nettverkslag

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-38

Nettverk

Hotspot

Noder nær GW må rute for andre og tømmes først

Data fusion

Max levetid (node/nettverk)

Organisere i lokale cluster

Ansvar som cluster head går på rundgang (til den med mest batteri igjen)

Informasjonssamling

Spør etter verdi, ikke node

Nettverket har felles ansvar for å levere riktig data

Ruting

Multipath for øket sikkerhet

Effekt-sensitiv ruting

Effektive tre-strukturer

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-39

Joint optimalisering

Kalman

Optimalisere oppørsel til Kalman filter med manglende observasjoner

Power control

Adaptiv power control

Justere utesendt effekt på bakgrunn av link kvalitet og tilstand til kontrollalgoritmen

Cross layer design

Betrakte flere lag i stakken samtidig

http://scholar.google.no/ søk etter Wireless Sensor Network

2005: 10.000 hit

2006: 30.000 hit

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-40

Plan

Litt om ABB

Generelt om trådløse sensor nettverk

State-of-the-art

Applikasjoner i prosessindustrien

Kritiske parametre

Effekt, Nodetetthet, Latenstid

Standarder

ZigBee og Bluetooth

HART

Proprietære løsninger

Forskningsinnsats

MAC, NTW og power

Joint optimisation trådløs + kontroll

Prosjekter i ABB

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-41

Boliden demonstrator - 2004

ZigBee basert implementasjon, med noder fra Ember

Nettverk synkroniserings algoritme for å redusere effektforbruk

Syv sensorer i prosessen

Simulert data, én pakke/min

SleepSleep Timing Data Timing

En node er gateway til OPC server/client for integrasjon i ABB kontrollsystem

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-42

Resultater Boliden

Dekning mer enn 50m, selv uten LOS

Effektforbruk ~3mW

Gjennomsnitt 30 sek latens

Våken 3 sekunder per minutt

1.5 sekund for å synkronisere nettverk

1.5 sekund for utveksle data

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-43

Resultater Boliden

Ikke-stasjonær karakteristikk

Latenstid er tidsvarierende

Kjenner igjen Gaussisk pdf

Støtter multihop

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

x 104

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Sample Number

Tim

e O

ffse

t [m

s]

Moving Average of Node2 Time Offset

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Time Offset [ms]

Fre

quen

cy

Histogram of Node2 Time Offset

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-44

ZigBee for felt instrumenter - 2004

Teknologievaluering

Demonstrere wireless aksess til felt instument over 802.15.4

Kabelerstatter

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-45

Effektforbruk

time

Current

Ipeak

Iidle

Tper

Tpeak

mAI peak 29=msTpeak 32=

sTper 0.15=

AIidle μ26=

WIT

TTI

TT

VP idleper

peakperpeak

per

peakavg μ289*3.3 =⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+=

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-46

Trådløs for felt instrumenter 2005

Prototype av kommunikasjonskort

Trådløst instrument

Blir neppe produkt

Effekt

Begrenset effekt tilgjengelig over seriell kontakt

Reset dersom trekker for mye

Latens

Prototype med satisk effekt håndtering

Design forslag for dynamisk

Kommunikasjon med PDA

Fast kanal

Point-to-point nettverk

Effekt styringPCBantenne

Seriellkontakt

RadioMikrokontroller

©A

BB

Co

rpo

rate

Re

sea

rch

-47

Studentprosjekter

NTNU 2006: Evaluering av Dust networks

TDMA multihopp

Ønsker å sammenligne med ZigBee

”Hvor-som-helst” 2006/2007:

Adaptiv power control i store nettverk

Høy sendeeffekt kommer langt, men mye interferens

Lav sendeeffekt lite interferens, men må sende pakken flere ganger

Gitt en plassering av noder, hva er optimalt? Genetiske algoritmer? Swarm intelligence?

Finnes det et globalt optimum?

Hva er optimaliseringskriterier?

......