Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks

1. Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks Dominik Lieckfeldt InstitutfürAngewandteMikroelektronik und Datentechnik Universität Rostock, 18119 Rostock, Deutschland Email: dominik.lieckfeldt@uni-rostock.de

2. Einleitung • Selbstorganisation • Drahtlose Sensornetzwerke Positionsbestimmung in Sensornetzwerken • Effizienz der Positionsbestimmung • Ansätze zur Steigerung der Effizienz Ein Auswahlverfahren zur Selektion günstiger Referenzknoten Zusammenfassung Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Übersicht Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

3. „… das spontane Entstehen neuer Strukturen in dynamischen Systemen, das auf das kooperative Wirken von Teilsystemen zurückgeht. “ * Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Selbstorganisation Chemie Astronomie Anwendung auf technische Problemstellungen • Drahtlose Netzwerke Biologie Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

4. Definition: • Netz aus kleinsten Knoten • Zufällige Positionierung • Drahtlose Kommunikation • Erfassung von Umwelt-parametern Eigenschaften: • Ressourcenarm • Fehleranfällig Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Drahtlose Sensornetzwerke • Anwendungsbereiche: • Analyse, Beobachtung, Überwachung Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

5. Warum? • Zuordnung Ort <-> Datum Problem: • Knoten zufällig verteilt • GPS nicht auf jedem Knoten möglich Lösung: • Wenige Knoten mit GPS -> Referenzen • Restliche Knoten -> Unbekannte Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Positionsbestimmung in Sensornetzwerken Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

6. Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Verbessern der Effizienz der Positionsbestimmung Effizienz der Positionsbestimmung Genauigkeit der Distanzmessung Kompromiss Ressourcen-verbrauch Einbeziehen von Kontextinformation Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

7. Steigerung der Effizienz der Lokalisierung durch: • Auswahl der am besten geeigneten Knoten! Distributed Beacon Selection1 Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Fehlerquellen Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

8. Schätztheorie • Bewertung von Schätzverfahren auf Basis der Varianz des Schätzwertes • Fundamentale Grenze für die Varianz durch Cramer und Rao gefunden -> Cramer-Rao-Grenze (CRG) Hier: Nutzung als Auswahlkriterium Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Auswahlkriterium genauer Varianz CRG CRG schematisch Benötige 3 Referenzpunkte für Positionsbestimmung ? CRG Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

9. Liefert untere Schranke für Varianz eines Schätzers CRG für Positionsbestimmung basierend auf: • Time-of-Arrival (ToA) oder Signalstärke (RSS) Distanzmessung gefunden durch Patwari et al.2 Für RSS: Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Ungleichung von Cramér und Rao 2 3 1 4 Distanzen … Ausbreitungskoeffizient … Standardabweichung RSS … Wahrer Parameterwert … Geschätzter Parameterwert Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

10. Beispiel: 2 Referenzen, 1 Unbekannter Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Einfluss der Geometrie auf die CRG Lineare Bewegung kreisförmige Bewegung Referenz Unbekannter Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

11. Phase I: • Unbekannter sendet Anfrage • Referenzen berechnen Antwortwahrscheinlich-keit • TDMA: Referenz i antwortet mit Wahrscheinlichkeit • Nach erster Antwort: • Nutze CRG um kollineare Referenzen zu vermeiden Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Das verteilte Auswahlverfahren Benötige 5 Referenzpunkte für Positionsbestimmung Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

12. Phase II: • Neuberechnung von basierend auf Verringerung der CRG • Referenz i antwortet mit Wahrscheinlichkeit • Endbedingung: erforderliche Anzahl an Referenzen hat geantwortet Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Das verteilte Auswahlverfahren Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

13. Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Simulationsergebnisse Referenz Unbekannter Distanzbasiert CRG-basiert Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

14. Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Selbstorganisation Positions-bestimmung Drahtlose Sensornetzwerke Genauigkeit Limitierte Ressourcen Effizienz der Positionsbestimmung Steigerung der Effizienz Auswahl von Referenzen CRG Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

15. 1 Lieckfeldt, D.; You, J.; Timmermann, D.: “An Algorithm for Distributed Beacon Selection”, 4th IEEE Intern. Workshop PerSeNS, März2008 2Patwari, N.; O. Hero III, A.; Perkins, M.; Correal, N. & O'Dea, R.: “Relative location estimation in wireless sensor networks“, IEEE TSP, 2003 Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Literatur Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

16. Fragen? - Danke für Ihre Aufmerksamkeit - Dipl.-Ing. Dominik Lieckfeldt Institut für Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik Universität Rostock, 18119 Rostock, Deutschland Email: dominik.lieckfeldt@uni-rostock.de

17. Die Position der Knoten eines Sensornetzwerks wird für die sinnvolle Auswertung der Sensordaten benötigt. Die Positionsbestimmung der Knoten wird durch limitierte Ressourcen, wie Energiekapazität und Bandbreite, erschwert. Für die Bewertung der Leistungsfähigkeit von Verfahren zur Positionsbestimmung eignet sich die Effizienz, die mit dem Energie-Fehler-Produkt Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung Zusammenfassung Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

18. Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

19. WSN vs. GSM et al. Drahtlose Sensornetzwerke Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

20. Localization in WSN > Distributed Beacon Selection > Conclusion Baseline Algorithm for Localization 1. Phase Refinement Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

21. Motivation > SotA > Beacon Selection > Conclusion Beacon Selection: CRLB explained Number of beacons Error model of RSS measurements Geometry CRLB Lower bound on variance of position error Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

22. Beispiel • 1 Dimension • Wahre Position: x=0 • Fehlerhafte Positionsschätzungen • PDF der Positionsschätzungen • Standardabweichung -> intuitives Maß um Fehler zu charakterisieren Cramer-Rao-Lower-Bound Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"

23. Localization in WSN > Distributed Beacon Selection > Conclusion Baseline Algorithm for Localization 2 3 1. Phase Refinement y 1 4 x Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"