Be ž i č ne S enzorske M re ž e

1. Bežične Senzorske Mreže Uvod u senzorske mreže Mario Čagalj mario.cagalj@fesb.hr FESB, 12/3/2014. Bazirano na “Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks”, Holger Karl, 2005.

2. Motivacija • Klasične bežične mreže bazirane su na “teškoj” infrastrukturi • Mobilni uređaji se spajaju bežičnim putem preko baznih stanica (GSM, UMTS) i pristupnih točaka (WiFi, WLAN) na Internet • Uspostavljanje klasičnih mreža je potencijalno dugotrajan i skup proces (zahtjeva dosta planiranja i vremena) IP Backbone(routing infrastructure)

3. Motivacija • Što napraviti ukoliko infrastruktura nije dostupna • U slučaju nekakve katastrofe u nepristupačnom području (npr. Kornatska tragedija) • Infrastruktura je skupa (neisplativa za investitora – ruralni krajevi, slabo naseljni otoci) • Postoji vremensko ograničenje (spasilačka akcija, vojna akcija, vatrogasna intervencija)

4. “Ad Hoc” Bežične Mreže Internet • Mreže koje ne koriste “tešku” infrastrukturu • Ad hoc na latinskom znači “za ovu svrhu” • Decentralizirana (bez infrastrukture) bežična mreža uspostvaljena za neku specifičnu svrhu • Svaki mobilni/statični uređaj može prosljeđivati promet za druge mrežne uređaje • Generalno, svi uređaji rade sve (nema specijaliziranih uređaja kao što su routeri, pristupne točake, bazne stanice) WiFi mreže: Centraliziran(infrastructure)način rada WiFi: Ad hocnačin rada

5. Primjene “ad hoc” bežičnih mreža • Oporavak od katastrofa • Komunikacija između vozila (car2car) • Povezivanje vojnih objekata i ljudi: tenkovi, vojnici, … • Traženje slobodnog parkirnog mjesta (bez kontakta sa centralnim serverom) • Potraga i spašavanje u slučaju odrona i lavina • Personal Area Networks (PAN) (satovi, medicinskiuređaji)

6. Izazovi kod ad hoc mreža • Bez centralizirane infrastrukture organizacija protoka podataka i same mreže postaje puno zahtjevnija • Kod ad hoc mreža javljaju se sljedeći problemi • Organizacija mreže bez centralnog entiteta • Ograničen komunikacijski (radio) domet (nepostojanje “snažnih” baznih stanica) • Mobilnost mrežnih urežaja • Uređaji se napajaju putem baterija

7. Decentralizirana samoorganizirana mreža • Bez centralnog entiteta (npr. bazne stanice, pristupne točke), mrežni uređaji moraju se sami organizirati u funkcionalnu mrežu • Koncept samoorganizacije (self-organization) • Samoorganizacija se odnosi između ostalog na: • Pristup zajedničkom kanalu (Medium Access Control) – ne postoji bazna stanica koja bi regulirala pristup dijeljenom kanalu (ovo se radi na distribuirani način) • Usmjeravanje prometa (paketa) kroz mrežu (pronalaženje optimalnih ruta između različitih uređaja u mreži)

8. Ograničen komunikacijski domet • U mnogim scenarijima nužna je komunikacija sa udaljenim uređajima (sa uređajima koji se nalaze van komunikacijskog dometa) • Direktna komunikacija nemoguća zbog udaljenosti, prepreka, i dr. • Rješenje: multi-hop umrežavanje (multi-hop networking) ?

9. Mobilnost mreže • U mnogim scenarijima, korisnici ad hoc mreže su u pokretu • Kod celularnih mreža ovaj problem je rješen handoverom, gdje “najbliža” bazna stanica preuzima korisnika • U mobilnim ad hoc mrežama (Mobile Ad hoc NETworks - MANETs) • Mijenjaju se odnosi između susjeda (uređaj “gubi” stare susjede a “dobiva” nove) • Stoga se putanje izmeđe pojedinih uređaja mijenjaju (potrebni adaptivni protokoli) • Stvari se dodatno kompliciraju veličinom mreže • U velikim MANET-ima teško je efikasno održavati komunikaciju (bez centralne infrastrukture)

10. Mrežni uređaji su baterijski napajani • Uređaji u ad hoc mrežama se često napajaju putem baterija • Cilj je osigurati dug vijek mreže • Individulanih mrežnih uređaja • Kao i mreže u cjelini • Potreba za “štedljivim” (energy-efficient)mrežnim protokolima • Koristi multi-hop komunikaciju (umjesto direktne komunikacije preko velikih distanci, npr. Prdβ > Prd1β+ Prd2β, sa d=d1+d2) • Uzeti u obzir preostalu energiju baterija pri donošenju odluka o komunikacijskoj strategiji

11. Bežične senzorske mreže • Wireless Sensor Network (WSN) spada u kategoriju ad hoc mreža • U prethodnim primjerima korisnici su bili u direktnoj interakciju sa mrežnim uređajima dok kod WSN imamo potpuno drugačiji koncept • Kod WSNs fokus je interakcija sa čovjekovim okruženjem, a ne sa samim čovjekom • WSN je integrirana (embedded) u čovjekovo okruženje • Senzorski uređaji (čvorovi, sensor nodes) su opremljenisa osjetilima (senzorima) i aktuatorima koji mogu mjeriti i mijenjati stanje okruženja • Senzorski čvorovi procesiraju informacije iz okoline i komuniciraju rezultat to procesiranja bežičnim putem

12. Bežična senzorska mreža • Individualno, senzorski uređaji imaju vrlo ograničene resurse • 8-bit 4MHz CPU, 4K RAM, 19.2 Kbps (brzina slanja podataka) • “Snaga” senzorskih mreža proizlazi iz velikog broja senzorskih jedinicakojem međusobno “surađuju” (slično kolonijama mrava)

13. Primjene bežičnih senzorskih mreža • Oporavak u slučaju katastrofa • Izbaci senzorske čvorove iz aviona na područje zahvaćeno požarom • Svaki čvor mjeri temperaturu • Može se izvesti “temperaturna mapa” za dano područje • Nadzor i motrenje životinjskih vrsta • Koristi senzore za motrenje životinjskog svijeta (ZebraNet – Princeton) • Inteligentne zgrade i mostovi • Smanjenje potrošnje energije • Određivanje zauzetosti prostorija, kontrola životnih uvjeta (temperatura, vlaga, kvaliteta zraka) • Kontinuirani nadzor mehaničkih naprezanja (posebice tijekom ili nakon potresa)

14. Primjene bežičnih senzorskih mreža • Upravljanje i nadzor industrijskih objekata • Detekcija provala u industrijska postrojenja • Kontrola curenja kemaikalija,... • Nadzor i preventivno održavanje strojeva • Ugradi senzore na mjesta koja nistu dostupna putem kabela • Kontrola pritiska u točkovima • Poljoprivreda • Određivanje mikro-klimatskih uvjeta • Kada i gdje koristiti umjetna gnojiva • Medicina i zdrastvena njega • Post-operativna njega (Ericsson) • Nadzor starijih osoba i pacijenata

15. Primjene bežičnih senzorskih mreža • Logistika • Opremi dobra (“kontejner”) sa senzorskim čvorom • Prati kretanje i stanje robe u svakom trenutku • Inteligentne prometnice • Bolja kontrola prometa na osnovu informacija o prometu i stanju prometnica dobivenim putem senzorske mreže • Automobili kao senzorski uređaji

16. Osnovne uloge bežičnih senzorskih čvorova • Izvorište podataka (data source) • “Mjeri” okolinu i šalje prikupljene/obrađene podatke nekom odredištu • Tipično je opremljen različitom vrstom “osjetila” (detektora) • Odredište podataka (data sink) • Očekuje i prima podatke iz bežične senzorske mreže (WSN) • Može biti dio mreže ili vanjski element (PDA, bazna stanica) • Aktuator • Upravlja nekakvim uređajem (obično se radi o“snik”-u)

17. Bežična senzorska mreža

18. Tipovi aplikacija WSNs • Tipovi aplikacija kod WSNs su određeni obrascima interakcija između izvorišta i odredišta podataka • Detekcija događaja: Senzorski čvorovi lokalno detektiraju događaje i šalju izvještaje o tim događajima zainteresiranim (“pretplaćenim”) odredištima • Periodička mjerenja • Aproksimacija funkcije:Upotreba senzorske mreže za aproksimaciju funkcije koja je ovisna o prostoru i vremenu (npr. izrada temperaturne mape) • Detekcija ruba:Detektiraj (pronađi) rubove (odnosno strukturu) kod aproksimiranih funkcija (npr., pronađi graničnu liniju gdje je temperatura jednaka 0°C) • Praćenje:Prati poziciju detektiranog “uljeza” (objekta, osobe, životinje, vozila)

19. Kako postaviti senzorsku mrežu? • Postoji nekoliko alternativa za postavljanje senzorskih čvorova u željeno okruženje • Bacanjem iz zrakoplova -> slučajno postavljanje(random deployment) • Obično se pretpostvalja da su senzori rapoređeni po uniformnoj slučajnoj distribuciji na nekom ograničenom području • Koliko je realistična ova pretpostavka? • Analiza – teorija perkolacije (postoji kritična gustoća čvorova)

20. Kako postaviti senzorsku mrežu? • Postoji nekoliko alternativa za postavljanje senzorskih čvorova u željeno okruženje • Unaprijed planirano (regularno) postavljanje->plansko postavljanje • Nije nužno da senzori prate nekakvu regularnu geometriju (geometrija može biti određena raznim zahtjevima) • Realistična opcija kod “malih” i “skupih” senzorskih mreža

21. Kako postaviti senzorsku mrežu? C Gateway • Postoji nekoliko alternativa za postavljanje senzorskih čvorova u željeno okruženje • Mobilni senzorski čvorovi • Mogu kompezirati eventualne nedostatke kod drugih načina postavljanja (osigurati povezanost mreže gdje je nema, smanjiti zahtjeve na potrošnju energije) • Senzori se mogu pasivno micati kroz neko područje tako da se pokreću nekom vanjskom silom (sjećate li se filma Twister?) • Napredniji senzori mogu aktivno tražiti zanimljiva područja C C Figures by Karl-Erik Årzén, Dan Henriksson, Anton Cervin et al.

22. Održavanje senzorske mreže • Je li uopće moguće održavati senzorske čvorove? • Npr., da li mijenjati baterije? (kako kod velikih mreža, > 1000 čvorova) • Trend je da senzorske mreže rade autonomno, bez nadzora • Ovo se posebno odnosi na one ad hoc misije (scenarije) • Napajanje senzorskih čvorova? • Imamo ograničen izvor energije od trenutka postavljanja mreže • Je li moguće puniti baterije na senzorima (bez intervencije čovjeka)? • Npr., solarne ćelije (što u slučaju in-door instalacija) • Thermoharvester-Driven Wireless Sensor Node (by Micropelt) http://www.micropelt.com

23. Karakteristični zahtjevi WSNsu odnosu na druge mreže • Tip usluge koju WSN pruža • WSN se ne koristi samo za prijenos “raw” bitova (kao klasične mreže) • WSN daje “odgovore” ne samo brojeve • Kvaliteta usluge (Quality of Service - QoS) • Tradicionalne QoS metrike (propusnost – Mbps, kašnjenje i sl) nisu uvijek važne • Usluga koju pruža WSN mora biti “dobra”: “Right answers at the right time” • Tolerancija na greške (fault tolerance) • Senzorske mreže moraju biti robustne na moguće pogreške u mreži (neki čvorovi potroše svu energiju, slon pogazi određeni broj senzora) • Ovaj problem se kompezira velikim brojem senzorskih jedinica (redundacija) • Vrijeme trajanja (života) senzorske mreže • WSN mora ispunjavati svoj cilj što duže vrijeme – koliko dugo ovisi o konkretnoj aplikaciji (namjeni) • Vrijeme trajanja mreže individualnih čvorova relativno je nebitno (stoga se mora paziti na sam dizajn mreže – “smrt” jednog senzora ne smije ugroziti rad ostatka

24. Karakteristični zahtjevi WSNsu odnosu na druge mreže • Skalabilnost • WSN mora podržavati veliki broj senzorskih čvorova • WSN moraju raditi sa različitim gustoćama mreže • Veliki ili mali broj čvorova po jedinici prostora • Ovisno o primjeni • Programabilnost • Treba osigurati mogućnosti re-programiranja senzorskih čvorova u polju (bolji software, sigurnosni propust) • Održavanje • WSNsse moraju adaptirati na promjene (npr. gubitak određenog broja senzora iz mreže) • WSN mreža također mora imati mogućnost prihvaćati novo postvaljene senzorske čvorove (sigurnost)

25. Kako ispuniti zahtjeve senzorskih čvorova? • Multi-hop bežična komunikacija • “Energy-efficient”način rada • Ovo se odnosi na komunikaciju, procesiranje, detekciju i mjerenje, upravljanje drugim uređajima • Auto-konfiguracija • Manualna konfiguracija je samo alternativa • WSNs moraju raditi autonomno, bez nadzora • Suradnja i procesiranje u mreži(in-network processing) • Pojedinačni senzorski čvorovi su limitirani u procesorskoj snazi, detekcijskog snazi i komunikacijskoj snazi. Stoga je nužno da mrežni čvorovi surađuju u svrhu ostvarivanja zajedničkog cilja. • Pred-procesiranje prikupljnih podataka unutar mreže (umjesto na “sinkovima”)uvelike poboljšava efikasnost mreže

26. Kako ispuniti zahtjeve senzorskih čvorova? • “Data-centric”umrežavanje • Kod dizajna mreže fokus se stvalja na podatak a ne na pojedinačne nodove (njihove adrese i identitete) • Fokus na lokalnu suradnju i rad(in-network processing) • Napravi što vise posla lokalno (odnosno u suradnji sa susjedima) • Povećana efikasnost • Balansiraj između različitih zahtjeva • Npr., balansiraj uloženu energiju za dobivanje nekog podatka i preciznost tog podatka (manja preciznost znači manju potrošnju energije -> dulji život mreže) • Kako, što i u kojoj mjeri balanisrati ovisi o konkretnoj aplikaciji

27. Zaključak • Ad hoc i bežične senzorske mreže predstavljaju veliki izazov ali imaju i veliki potencijal • Potrebne su nove arhitekture i protokoli u usporedbi sa tradicionalnim žičenim i bežičnim mrežama • Ove mreže su specifične po tome što su vezane uz odgovarajuće konkretne aplikacije • WSNs su aplication-driven mreže • Za razliku od klasične mreža koje isključivo omogućavaju povezanost