Informatica industriala

Informatica industriala Retele senzoriale fara fir

Retele senzoriale • Scopul: achizitia de informatii dintr-o anumita arie geografica cu ajutorul unor senzori inteligenti, ieftini si de consum redus • domenii de interes: • masurarea parametrilor de mediu (presiune, umiditate, temperatura), in aer, apa si sol • monitorizarea unor ecosisteme (paduri, ape, vegetatie) • monitorizarea cladirilor, incinetlor, halelor industriale • aplicatii militare de recunostere, detectia si urmarirea tintelor • monitorizarea traficului terestru, aerian si naval • monitorizarea pacientilor • 2 aspecte esentiale: • ce se masoara – tipuri de senzori • cum se transmite informatia – tipuri de retele cu si fara fir

Atribute ale retelelor senzoriale • legate de senzor: • tipul marimii masurate, precizie • mod de masura: activ, pasiv (ex: frecventa de masurare) • aranjare: fixa (prestabilita), ad-hoc (se autoorganizeaza) • amplasare dinamica: fixa, mobila • mediu de operare: cooperant, advers (ex. teritoriu inamic) • legat de comunicare • comunicatie in retea: cu si fara fir • control: centralizat sau distribuit • latime de banda: mare, mica, mai multe canale de comunicatie • legat de consumul de energie: • constrangeri de consum: cu si fara constrangeri

Evolutia retelelor senzoriale • primele realizari (in timpul razboiului rece, anii ’60, ‘70): • SOSUS – sistem acustic de urmarire a submarinelor • AWACS – sistem radar de urmarire aeriana • retele senzoriale distribuite (anii ’80) • DARPA – sistemul DSN – distributed sensor network • folosea minicalculatoare din clasa PDP 11 • s-au dezvoltat algoritmi de urmarirea tintelor (ex: elicoptere, pe baza acustica, vehicole, etc.) • retele ad-hoc • functii de auto-organizare si configurare • routare dinamica • functionare intr-un mediu dinamic • consum redus de putere • exemple militare: • SensIT, - Sensor Information technology • TASS – Tactical Automated Security System • realizari actuale: • solutii comerciale: Ember Crossbow, sensoria, TinyOS, Smart Dust • solutii pentru aplicatii de zi cu zi (non-militare) • standarde wireless: • 802.11, • 802.15 (PAN – personal area network) • ZigBee MEMS Smart Dust

Retele senzoriale in controlul industrial • avantaje: • nu necesita retea fizica de comunicatie (cablu) • nu necesita retea de alimentare • instalare rapida, si flexibila • mentenanta usoara • posibilitatea detectarii unor anomalii in zone greu accesibile pentru om – detectarea unor posibile defecte, vibratii • toleranta la defecte • cost redus • dezavantaje: • interferenta cu alte transmisii fara fir; se folosesc benzi de frecventa publice • influentat de zgomote electromagnetice

Probleme specifice • Descoperirea retelei ad-hoc • identificarea in timp-real a nodurilor si stabilirea unor trasee de routare • testarea si reconfigurarea periodica a retelei • nodurile trebuie sa stabileasca conexiuni cu nodurile invecinate • Controlul retelei si routarea • resurse limitate la nivelul unui nod: • energie • putere de calcul • latime de banda • se cauta un optim intre puterea de transmisie radio, distanta acoperita si redondanta retelei • algoritmul de routare este adaptat unei anumite cerinte de optimalitate (ex: energie minima consumata, acoperire maxima, toleranta la defecte, timp minim de transmisie, sau de refacere a retelei in caz de defect)

Probleme specifice • Procesarea colaborativa a semnalelor si a informatiilor • culegerea unui set relevant de informatii de teren • fuziunea informatiilor generate de diversi senzori • proceduri de filtrare, mediere a semnalelor • aplicatii colaborative de urmarire (tracking) (ex: tinte, autovehicole, avioane) • asocierea de informatii la anumote obiecte in miscare • Accesul la date distribuite • tehnici de interogare si de achizitie a datelor: • achizitii periodice • achizitii la cerere • accesul transparent la parametri de proces indiferent de adresa fizica a nodurilor • Securitatea comunicatiei • lucreaza in mediu ostil • zgomote diverse, retea nesigura

Rezultate recente • Difuzie directionata • Urmarire distribuita(tracking) • Clasificare distribuita

Routarea in retelele senzoriale • caracteristici specificeale retelelor senzoriale (care afecteaza politica de routare) • numarul mare de senzori nu permite utilizarea unei scheme statice de adresare • utilizarea adresei Ip pentru routare nu este fezabila • nodurile sunt amplasate aleatoriu (fara o regula anume) • este nevoie de tehnici de auto-organizare a retelelor formate ad-hoc • conteaza mai mult datele achizitionate si mai putin originea (adresa) lor • de cele mai multe ori achizitia de date se face printr-un “punct de acces” sau statie de baza • aceasta statie face legatura dintre reteaua senzoriala si un calculator sau o alta retea clasica (LAN, WAN) • schimbul de informatii utile intre noduri este de mai mica importanta sau chiar lipseste • nu se stabilesc rute intre noduri ci intre statia de baza si noduri • exista restrictii severe privind: • consumul de energie (si implicit puterea si frecventa de transmisie) • capacitatea de stocare a nodurilor • capacitatea de procesare a nodurilor (o stiva de protocoale mai complexa ar fi greu de implementat)

Routarea in retelele senzoriale • caracteristici specificeale retelelor senzoriale (care afecteaza politica de routare) • in cele mai multe cazuri nodurile sunt fixe ca pozitie • diferit de alte retele fara fir precum telefonia celulara • retelele sunt destinate pentru o anumita aplicatie • nu au un caracter general • locatia nodurilor este importanta pentru a stabili de unde provine o anumita informatie • nu conteaza adresa (ID-ul) nodului dar conteaza pozitia • se poate stabili: • prin configurare initiala • cu ajutorul unui receptor GPS • prin triangulare, masurand puterea semnalului receptionat de la vecini • datele culese au o anumita redondanta (exploatabila la routare) • utila in reducerea energiei consumate si pentru asigurarea tolerantei la defecte • nodurile isi pot inceta activitatea in mod subit • de exemplu datorita terminarii bateriei

Routarea in retelele senzoriale • Politici de routare: • dupa modele clasice de routare folosite in alte retele • avand ca scop agregarea datelor • care urmaresc procesarea si clasificarea in retea (ex: urmarirea unei tinte, calculul unui gradient de temperatura) • metode centrate pe date • in functie de structura retelei: • plat – toate nodurile au acelasi rol • ierarhic – nodurile superioare realizeaza agregarea datelor • bazat pe pozitia fizica- directionarea mesajelor catre o locatie fizica • in functie de modul de operare • cu mai multe cai • bazat de interogari • bazat pe negociere • bazat pe QoS • bazat de coerenta • in functie de tactica adoptata pentru gasirea caii: • proactiv – caile se determina inainte de efectuarea transmisiilor de date • reactiv – caile se determina doar la nevoie • hibrid – combinatie a primelor doua

Protocoale bazate pe structura retelei • Routare plata • toate nodurile au acelasi rol • transmisie multi-hop • interogarea se face in functie de locatia/regiunea de interes • exemple: • Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN) • este o imbunatatire a tehnicii flooding • informatiile sunt transmise la toate nodurile, ca si cum toate ar fi stabii de baza; rezulta acces rapid la date • se dau nume simbolice pentru date (meta-date) si se negociaza transmisia neredondanta a datelor • se tine cont de nivelul de energie disponibil pentru fiecare nod • 3 tipuri de mesaje: ADV (advertise a data), REQ (cerere data), DATA (data propriu-zisa): • secventa de operatii: publicarea unei noi date (ADV), cererea datei de un nod invecinat (daca este interesat) (REQ), trimiterea datei la nodul solicitant (DATA) • se evita transmisia datelor care nu intereseaza/redondante

Protocoale bazate pe structura retelei • Routare plata (cont.) • Directed Diffusion: • este data-centric si application-aware • statia de baza transmite (difuzeaza) in retea un anumit “interes”; se stabilesc niste “gradienti” care marcheaza nodul invecinat de unde a venit interesul • interesul se exprima printr-o interogare; vor fi transmise doar datele care satisfac conditia din interes • datele sunt agregate pe parcurs (pe calea de transmisie)

Protocoale bazate pe structura retelei • Routare plata (cont.) • Rumor routing: • varianta de Direct diffusion • interogarile se transmit numai nodurilor care au detectat un anumit tip de eveniment; interogarea nu se trimite prin flooding ca si in cazul anterior; nodurile care detecteaza un eveniment formeaza un mesaj de tip agent, care este transmis in retea; nodurile isi noteaza evenimentele si nodurile care le-au detectat; la interogare se contacteaza numai nodurile care au indicat evenimentul in cauza • lucreaza bine pentru un numar mic de evenimente

Protocoale bazate pe structura retelei • Routare plata (cont.) • Minimum Cost Forwarding Algorithm (MCFA) • fiecare nod isi noteaza numarul minim de hopuri pana la statia de baza • un nou mesaj se trimite prin broadcast la toti vecinii • la receptie se verifica daca nodul se afla pe calea minima; daca da atunci transmite mai departe, daca nu atunci renunta • Gradient-Based Routing • varianta a Direct diffusion; la transmiterea interesului se noteaza numarul de hopuri; “ • “inaltimea nodului” – numarul minim de hopuri pana la statia de baza; • diferenta dintre inaltimile a doua noduri invecinate va da gradientul conexiunii/legaturii dintre ele • informatia se va transmite pe legatura cu gradientul cel mai mare • se mai folosesc tehnici suplimentare de agregare a datelor si de balansare a traficului (in cazul unor cai multiple)

Protocoale bazate pe structura retelei • Routare plata (cont.) • COUGAR • considera reteaua ca fiind o baza de date asupra careia se formuleaza interogari • promoveaza procesarea datelor in retea • se construireste un nivel intermediar intre nivelul aplicatie si nivelul retea, care solutioneaza interogarea • statia de baza genereaza un plan si un flux de date care asigura solutionarea interogarii • Energy Aware Routing • o varianta de Direct diffusion, in care se mentin mai multe canale posibile si se aleg probabilistic astfel incat sa se mentina cat mai mult reteaua in viata; se tine cont de nivelul de energie pe fiecare nod • reduce consumul cu 21,5% si creste durata de viata a retelei cu 44%

Protocoale bazate pe structura retelei • Routare ierarhica – • routare bazata pe clustere • util din punct de vedere al: • scalabilitatii, • eficientei energetice, • duratei de viata mai mare • principiu: • noduri cu energie mai mare (capete de cluster) preiau traficul de la noduri cu energie mai mica • routarea vizeaza 2 probleme: • alegerea capetelor de cluster • routarea mesajelor

Protocoale bazate pe structura retelei • routarea ierarhica: • protocolul LEACH – Low energy Adaptive Clustering Hierarchy • se aleg aleatoriu capete de cluster si apoi rolul este distribuit prin rotatie celorlalte noduri, pentru a asigura consum uniform pe toate nodurile • nodul capat are rol de compactare si agregare a datelor culese din cluster • pentru evitarea coliziunilor in interiorul si exteriorul clusterului se foloseste protocolul MAC de tip TDMA/CDMA • aproximativ 5% din noduri trebuie sa fie desemnate catete de cluster • se preteaza pentru achizitia periodica a datelor de la senzori • 2 faze de lucru: • faza de configurare (setup) – se stabilesc clusterele si nodurile capat aferente • faza de functionare stabila – cand se transmit datele achizitionate • stabilirea clusterelor si a capetelor: • aleatoriu se desemneaza un numar de capete, la care adera celelalte noduri pe baza puterii semnalului radio transmis/receptionat; capatul stabileste o ordine de tip TDMA pentru interogarea fiecarui nod din cluster • mesajele agregate din cluster sunt transmise de capete la statia de baza folosind cate un alt cod din CDMA • dupa un anumit timp se aleg alte noduri capat

Protocoale bazate pe structura retelei • routarea ierarhica: • protocolul PEGASIS -Power-Effcient Gathering in Sensor Information Systems • varianta optimizata a protocolului LEACH • ideea de baza: dialogul se face doar cu nodurile invecinate, transmiterea datelor la statia de baza se face alternativ de fiecare nod, pentru a echilibra consumul de energie • obiectivul: extinderea duratei de viata a retelei si reducerea latimii de banda necesare (prin dialog doar intre vecini) • nu se formeaza clustere • un nod isi regleaza puterea de transmisie astfel incat sa dialogeze doar cu cel mai apropiat vecin; se formeaza un lant pana la statia de baza • PEGASIS creste de 2 ori durata de viata a unei retele in comparatie cu LEACH

Protocoale bazate pe locatie • nodurile sunt adresate in functie de locatie • distanta dintre vecini se poate estima pe baza puterii semnalului emis/receptionat • coordonatele unui nod: • relative fata de vecini • absolute, pe baza unui sistem de pozitionare (ex: GPS) • Protocolul GAF - Geographic Adaptive Fidelity • protocol bazat pe locatia nodurilor si pe cunoasterea energiei • folosit si in retele ad-hoc • functionare: • reteaua se divide in zone • nodurile colaboreaza in interiorul zonelor si isi schiba rolurile • pentru reducerea consumului de energie nodurile dintr-o zona sunt puse in starea “sleep” mai putin un nod care este activ; • nodul se alege prin consens; • nodul activ este responsabil pentru transmiterea datelor din zona sa

Protocoale bazate pe locatie • Protocolul GEAR- Geographic and Energy Aware Routing • utilizarea informatiei geografice in transmiterea unor interogari ce au atribute de localitate • ideea: reducerea numarului de interese din “directed diffusion” prin directionarea catre zona de interes • fiecare nod tine evidenta costului transmiterii unui mesaj prin vecini • costul se compune din distanta pana la destinatie si energia reziduala • exista un “cost invatat” care se stabileste pas cu pas in urma transmiterii de pachete la destinatie

Protocoale bazate pe locatie • protocolul SPAN • se selecteaza noduri coordonator pe baza de locatie • nodurile coordonator formeaza un “Backbone” pentru transmisia informatiilor culese • un nod devine coordonator daca: • doua noduri vecine nu se pot vedea direct, prin 1 sau 2 coordonatori

Informatica industriala