Bezvadu sensoru tīkliselavo.lv/kursi/bst/slaidi11/bst-b-11_04b-radio-realities.pdf · Bezvadu...

Bezvadu sensoru tīkli

Bezvadu sakaru realitāte

Leo Seļāvo Latvijas Universitāte

© Leo Seļāvo, 2008.g. Kurss: Bezvadu sensoru tīkli 2

Motivācija

n  Būtiskas pazīmes, kas norāda radio pārraides neregularitātes fiziskā vidē q  Teorētiski norādījumi q  Praktiski (empīriski novērojumi)

n  Bet daudz risinājumu pieņem, ka radio raidījuma attālums pielīdzināms riņķa līnijai

n  Tāpēc nepieciešami: q  Simulācijas rīki, kas ņem vērā radio realitāti q  Labāki protokoli, lai ņemtu vērā raidījuma neregularitāti

n  Ir izstrādāti teorētiski protokoli kas nestrāda praksē kļūdaino pieņēmumu dēļ


Piemērs

AC

D

Bbeacon

Xdata

beacon

data

beacon data

AB = AC = AD (vienāda distance). Radio pārklājums var mainīties laikā!

Neregulārs attālums no A

A un B ir asimetriski


Pārskats

n  Radio enerģijas modelis, kas ņem vērā parklājuma neregularitāti un ko var lietot simulatori

n  Neregularitātes ietekme uz: q  MAC līmeni q  Maršrutizācijas līmeni q  Citiem protokoliem (lokalizācija, topoloģijas

kontrole) n  Risinājumi, kas ņem vērā neregularitāti

q  Netieši q  Tieši


Antenu tipi

n  A: Pus-viļņa dipols (visefektīvākā pārraide) n  B: Ceturdaļ-viļņa vertikālā antena

A: B:

Izstarošanas lauks Izstarošanas lauks

Perfekta izotropiska antena – visos virzienos darbojas vienādi


Ierobežojumi bez šķēršļiem

n  Line of sight – raidījums bez fiziskiem šķēršļiem tā ceļā

n  Vājinājums (attenuation) q  Signāla stiprums samazinās, palielinoties attālumam q  Vājinājums ir lielāks augstākās frekvencēs q  Signāla stiprumu jāvar izmērīt ar elektronisku iekārtu,

un tai jābūt virs trokšņu līmeņa n  Brīvās telpas zudumi (free space loss)

q  Attiecība: n  Raidītā signāla enerģija pret n  Enerģiju ko saņem uztvērējs


Ierobežojumi bez šķēršļiem

n  Troksnis q  Termālais q  Interference q  Impulss (piem. zibens)

n  Atmosfēras absorbcija q  Tvaiks un skābeklis ietekmē signāla vājinājumu


Ierobežojumi

n  Daudz – ceļu (multipath) q  Reflekcija – signāls, kas atstarojas no objektiem

nonāk galamērķī vēlāk nekā oriģinālais signāls, kas ceļo pa taisni

q  Difrakcija – notiek pie malām un izskatās pēc jauna signāla avota (signāls var tikt saņemts pat tad, ja nav brīva ceļa pa taisni no raidītāja uz uztvērēju)

q  Izkliede – ja šķēršļa izmēri ir samērojami ar viļņa garumu


Kopsavilkums: neregulāra pārklājuma cēloņi

n  Iekārtas q  Antenas tips (virziena darbības, vienmērīgas darbības) q  Raidītā enerģija (nelineāra) q  Antenas pastiprinājums q  Uztvērēja jūtība (iekārtas)

n  Vide q  Vides tips (gaiss, ūdens) q  Fona troksnis q  Temperatūra, mitrums q  Šķēršļi q  Lietus

n  Bet kā tas attiecas uz BST iekārtām?


Reāli mērījumi – radio signāls n  Ne-izotropiska ceļa zudumi: Radio signālam no raidītāja ir dažādi

zudumi atkarībā no virziena.

-‐65-‐64-‐63-‐62-‐61-‐60-‐59-‐58-‐57-‐56-‐55

0 25 50 75

B e a c o n S e qN o

S outh No rthWes t E as t

Signāla stiprums atkarībā no laika četros virzienos

(RSSI = Received Signal Strength Indicator)

RS

SI (

dBm

)


Ne-izotropiska ceļa zudumi

Signāla stiprums dažādos virzienos

-‐60

-‐58

-‐56

-‐54

-‐52

-‐50

1 48 95 142 189 236 283 330

D ire c tio n in D e g re e ( 10 fe e t)

-‐65

-‐60

-‐55

-‐50

-‐45

0 41 82 122 163 204 245 285 326

D ire c tio n in D e g re e ( 2 0 fe e t)

n  Iemesli: q  Reflekcija, difrakcija un izkliede vidē q  Aparatūras kalibrācija (ne-izotropisks antenas pastiprinājums)

Virziens grādos (3 metri) Virziens grādos (6 metri)

RS

SI (

dBm

)

RS

SI (

dBm

)


Radio signāla īpašības n  Nepārtrauktas izmaiņas: Signāla ceļa zudumi nepārtraukti mainās

dažādos virzienos no raidītāja.

-‐60

-‐58

-‐56

-‐54

-‐52

-‐50

1 48 95 142 189 236 283 330

D ire c tio n in D e g re e ( 10 fe e t)

-‐65

-‐60

-‐55

-‐50

-‐45

0 41 82 122 163 204 245 285 326

D ire c tio n in D e g re e ( 2 0 fe e t)Virziens grādos (3 metri) Virziens grādos (6 metri)

Signāla stiprums dažādos virzienos

RS

SI (

dBm

)

RS

SI (

dBm

)


Radio signāla īpašības n  Heterogenitate: Dažādiem mezgliem ir atšķirīgi sūtīšanas

pārklājumi

-‐60

-‐59 .5

-‐59

-‐58 .5

-‐58

-‐57.5

-‐57

0 25 50 75


1.58V 1.4V1.32V 1.18V

(a) Viens modulis ar dažādu baterijas stāvokli

-‐60-‐59 .5-‐59

-‐58 .5-‐58

-‐57.5-‐57

-‐56 .5-‐56

-‐55.5-‐55

0 25 50 75


Mote A Mote BMote C Mote D

(b) Dažādi moduļi ar vienādu baterijas tāvokli

n  Iemesli q  Atšķirīga aparatūras kalibrācija un elektronikas komponentes

RS

SI (

dBm

)

RS

SI (

dBm

)


RIM – Radio neregularitātes modelis n  Neregularitātes raksturojums - Degree of Irregularity (DOI):

q  Definīcija: maksimālā uztvertā signāla stipruma procentuālā vērtības variēšana uz raidījuma leņķa vienības izmaiņu.

q  Ņem vērā ne-izotropiskus ceļa zaudējumus

DOI = 0 DOI = 0.003 DOI = 0.01

Neregularitātes raksturojums (DOI)

Max attālums

Min attālums

Patiesais attālums šim modulim


RIM - VSP n  Raidītāja jaudas maiņa - Variance of Sending Power (VSP):

q  Definīcija: maksimālās signāla raidītās jaudas procentuālās izmaiņas starp dažādām iekārtām.

q  Ņem vērā heterogēnu sūtījuma jaudu


RIM – formula

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

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

DOI adjusted path loss = path loss* KD

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

VSP adjusted signal sending power =

onDistributi Normal RandomNum WhereVSP)*RandomNum (1 *power sending signal

∈

±


Ietekme – MAC līmenī n  Ietekme uz:

q  Carrier Sense metodi q  Handshake metodi q  Pielietota CSMA, MACA,

MACAW, 802.11 DCF

B

C

A

(a) Carrier Sense metode

B

C

A

RTS

X

CTSDATA

(b) Handshake metode


Ietekme - Maršrutizācija n  Ietekme uz:

q  Path-Reversal metodi q  Multi-Round metodi q  Pielietota AODV, DSR, LAR

Source A

B Dest.RREQ

RREQ

RREP

RREP

X

Ietekme uz Path-Reversal metode

S DX

X

RREQRREP

Maršrutu atrašana ar Multi-Round

metodi


Ietekme - Maršrutizācija

n  Ietekme uz: q  Neighbor-Discovery metodi q  Pielietota GF, GPSR, SPEED

AC

D

Bbeacon

Xdata

beacon

data

beacon data

Ietekme uz Neighbor Discovery metodi


Simulācijas Testi

Components Setting

Simulator GloMoSim

Terrain (150m,150m)

Node Number 100

Node Placement Uniform

Payload Size 32 Bytes

Application 6 randomly chosen periodic multi-hop CBR streams

Routing Protocol AODV, DSR, GF

MAC Protocol CSMA, 802.11 (DCF)

Radio Model RIM

Radio Bandwidth 200Kb/s

Runs 140

Confidence Intervals The 95% confidence intervals are within 0~25% of the mean


Mēram ietekmi

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 0.2 0 .4 0 .6 0 .8 1

V S P -‐ F A C T O R

A ODVD S RGF

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 0.002 0 .004 0 .006 0 .008 0 .01

D O I-‐ F A C T O R

A ODVD S RGF

Palielinām DOI Palielinām VSP

0

0 .01

0 .02

0 .03

0 .04

0 .05

0 .06

0 .07

0 .08

0 .09

0 0 .002 0 .004 0 .006 0 .008 0 .01


A ODVD S RGF

0

0 .01

0 .02

0 .03

0 .04

0 .05

0 .06

0 .07

0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1


A ODVD S RGF

Vidē

jā a

iztu

re

Zaudēj

umu

attie

cība

Vidē

jā a

iztu

re

Zaudēj

umu

attie

cība


Mēram ietekmi Palielinām DOI Palielinām VSP

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0 .002 0 .004 0 .006 0 .008 0 .01


A ODVD S RGF

0

100

200

300

400

500

600

700

0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1


A ODVD S RGF

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 0 .002 0 .004 0 .006 0 .008 0 .01D O I-‐ F A C T O R

A ODVD S RGF

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1


A ODVD S RGF

Enerģi

jas

patē

riņš

(mW

h)

Kon

trol

es p

akeš

u s

kaits

Enerģi

jas

patē

riņš

(mW

h)

Kon

trol

es p

akeš

u s

kaits


Ietekme - kopsavilkums n  Radio neregularitātei ir lielāka ietekme uz maršrutizācijas līmeni

nekā MAC līmeni.

n  Maršrutizācijas protokoli līdzīgi AODV un DSR, kas lieto multi-round discovery metodi, var tikt galā ar radio neregularitāti, bet ar lielu samaksu.

n  Maršrutizācijas protokoli līdzīgi ģeogrāfiskajai virzībai (geographic forwarding), kas balstās uz kaimiņu atklāšanas metodi, ir spēcīgi ietekmēti ar radio neregularitāti.


s d

Geographic Forwarding

n  GF vienmēr izvēlas mezglu kurš ir tuvāks mērķim.


Risinājums: simetriskais GF (SGF)

n  Noskaidrojam kaimiņus n  Apmaināmies ar kaimiņu tabulām lai atklātu

asimetriju n  Izmetam asimetriskās saites no kaimiņu tabulām

3 4 1

1 2

3

4

1 4

3 1

X x


Symmetric Geographic Forwarding (SGF) Palielinām DOI Palielinām VSP

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 0.002 0 .004 0 .006 0 .008 0 .01


A ODVD S RGFS GF

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 0.2 0 .4 0 .6 0 .8 1


A ODVD S RGFS GF

0

0 .01

0 .02

0 .03

0 .04

0 .05

0 .06

0 .07

0 .08

0 .09

0 0 .002 0 .004 0 .006 0 .008 0 .01


A ODVD S RGFS GF

0

0 .01

0 .02

0 .03

0 .04

0 .05

0 .06

0 .07

0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1


A ODV D S RGF S GFVi

dējā

aiz

ture

Za

udēj

umu

attie

cība

Vidē

jā a

iztu

re

Zaudēj

umu

attie

cība


Ierobežotā distances virzība (BDF)

n  Bounded Distance Forwarding ierobežo distanci kurā mezgls drīkst virzīt tālāk ziņojumu vienā lecienā

n  Realizēta novērošanas un trasēšanas sistēmā ar 70 MICA2 sensoru mezgliem

60%65%70%

75%80%85%90%

95%100%

8 16 24 32 40 48 100

B o unde d F o wa rd ing D is ta nc e ( fe e t)

Ziņojošo mezglu skaits

% z

iņot

o m

ezgl

u

Ierobežotās pārsūtīšanas distance (pēdās)


Bounded Distance Forwarding

n  3 metri – nepietiek mezglu, lai varētu pārklāt visu tīklu ar topoloģiju

n  5 metri – labākais kompromiss n  8 metri un vairāk – pārāk daudz nesimetrisku

saišu

Vājāks signāls

A

3m 5m


Citas radio realitātes?

n  Interferences attālums q  Parasti interferences attālums ir lielāks par

komunikācijas attālumu q  Daži protokoli pieņem, ka, ja attālums lielāks par

diviem lēcieniem, tad interference ir nulle q  Bet nav taisnība: Vairāku mezglu enerģijas summa

var radīt interferenci arī tālāk (jāņem vērā signāla un trokšņa attiecība - SNR nevis lēcienu skaitu)


Radio interference

B A C

Attālums 1

Attālums 2

Traucē


Citas radio realitātes

n  Hipotēze: ja divi mezgli vienlaicīgi raida, tad abi ziņojumi ir sakropļoti un zaudēti

q  Bet ne obligāti – vienas paketes signāla stiprums var

būt lielāks lai tā tiktu saņemta korekti, pat ja otrs mezgls raida tai pat laikā (piemēram, ar būtiski vājāku signālu)


IEEE 802.11 spektrs

n  Skaidri redzami trīs kanāli: 1, 6 un 11


Spread Spectrum – Izkliedētais spektrs

n  Spread spectrum (SS) ir raidīšanas tehnika, kas ar pseido – trokšņa (PN) kodu kas ir neatkarīgs no informācijas datiem tiek izmantota kā modulācijas vilnis, kas “izkliedē” signāla enerģiju pa komunikācijas joslu, kas ir daudz lielāka par signāla informācijas joslu.

n  Uztvērējs “at-izkliedē” – sakomplektē signālu, lietojot sinhronizētu PN koda kopiju.


Divi SS veidi

n  Frekvences lēkāšanas SS - Frequency Hopping Spread Spectrum

n  Tiešās rindas SS - Direct Sequenced Spread Spectrum q  Lieto MicaZ un Tmote Sky sensoru mezglos


Princips

0100100100 00 pie frekvences A 01 pie frekvences B 10 pie frekvences C 00 pie frekvences D 01 pie frekvences E

Zinot PN kodu un invertējot kodēšanas procesu

Piemēram, 16 frekvences kanāli no kā izvēlēties

Sūtītājs Uztvērējs


Frekvenču lēkāšanas spektrogramma


Priekšrocības

n  Noturīgs pret tīšiem traucējumiem q  Traucējot tikai vienu frekvenci tikai daži biti tiek

zaudēti, kurus var izlabot augstākā kodēšanas līmenī n  Noklausītāji (spiegi) dzird tikai dažus bitus n  Labāka noturība pret troksni un daudz-taku

kropļojumiem n  Vairāki lietotāji var raidīt vienlaicīgi (!), praktiski

netraucējot viens otru (vai ļoti maz traucējot)


Piemērs

n  Lieto Spread Spectrum ar kodu

n  Lietotājam A ir kods, kas norāda frekvences 3,7,2,8

n  Lietotājam B kods norāda frekvences kas šķēlumā ar iepriekšējo frekvenču kopu dod tukšu kopu, piemēram 5, 6, 14, 1, 4


Piemērs: Radio komponente CC 2420

n  DSSS n  250kbps efektīvais datu pārraides ātrums n  Q-QPSK ar pus-sinusa pulsa formēšanas modulāciju n  Zems enerģijas (strāvas) patēriņš (RX: 19.7 mA, TX: 17.4 mA) n  Programmējama raidītāja jauda n  16 frekvenču kanāli (IEEE 802.15.4 standarts)

q  Fc = 2450 + 5 (k-11) MHz, k = 11, 12, …, 26 n  MAC kriptēšanas iespeja aparatūrā


Kopsavilkums

n  Radio neregularitātes ir realitāte n  Daudzi protokoli darbojas vāji, jo tie ignorē šo problēmu

(MAC, maršrutizācija, lokalizācija, topoloģijas kontrole) q  Tie realitātē nav ļoti derīgi...

n  SGF, Bounded Distance – tātad eksistē risinājumi, kas ņem vēra minētās problēmas

n  Radio interferences realitātes arī ir problēma n  Spread Spektrum ir labs risinājums, noturīgs pret

dažādiem radio traucējumiem

Bezvadu sensoru tīkliselavo.lv/kursi/bst/slaidi11/bst-b-11_04b-radio-realities.pdf · Bezvadu...

Documents

Transcript of Bezvadu sensoru tīkliselavo.lv/kursi/bst/slaidi11/bst-b-11_04b-radio-realities.pdf · Bezvadu...