Titel

1
Titel
Bastian L. Blywis Synchronisation
und Topologiemessung in Sensor-Netzwerken
2
Sensornetze

• drahtlose Kommunikation
• kleine Ausmaße
• evtl. mobil
• mit verschiedensten Sensoren
• geringe Rechenleistung
• wenig Speicherplatz
• kostengünstig

Quelle Embedded Sensor Board ESB 430/1,
www.scatterweb.com
3
Aufgaben

• Gebäudeüberwachung
• erkennen von Waldbränden
• Bergung von Lawinenopfern
• detektieren von Gewässerverunreinigung
• Bewegungstracking
• Aufbau eines Netzes ohne feste Infrastruktur
• Vernetztes Haus

4
Probleme

• begrenzte Energiequelle
• unbekannte Anzahl ? Skalierbarkeit
• evtl. partitioniertes Netz
• Komplexität der Aufgaben
• gemeinsames Übertragungsmedium
• keine zentrale Steuerungsinstanz

5
Warum Synchronisation?

• gleichzeitiges Aufwachen aller Geräte
• Datensammlung
• erkennen von Dubletten
• Zeitmultiplex
• Ausbreitungsrichtung feststellen
• Quarzoszillatoren ungenau

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Reference Broadcast System
Broadcast Domäne
Referenzsender
Quelle Elson, Girod, Estrin. Fine-Grained
Network Time Synchronization using Reference
Broadcast
7
RBS Routing
Broadcast Domänen
Gateway
Quelle Elson, Girod, Estrin. Fine-Grained
Network Time Synchronization using Reference
Broadcast
8
Zusammenfassung RBS

• neuartiger Ansatz
• eine einzige Referenz genügt minimal
• wenig speicher- und rechenintensiv
• kein nicht-determinismus des Empfängers
• Synchronisation von Domänen
• Routing möglich
• Post-Facto Synchronisation möglich
• je mehr Knoten, desto mehr Abweichung
• je mehr Referenzpakete, desto Genauer

Quelle Elson, Girod, Estrin. Fine-Grained
Network Time Synchronization using Reference
Broadcast
9
tiny-sync

• zwei mögliche Algorithmen
• Wert eingrenzen
• Austausch mehrerer Pakete
• geringe Speicher- und Rechenanforderung

Quelle Sichitiu, Veerarittiphan. Simple,
Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor
Networks
10
Abschätzung
Abschätzung der Real-Zeit t durch ti(t) ait
bi Für zwei Knoten gilt t1(t) a1t b1 t2(t)
a2t b2 ? t12(t) a12t b12
a Stabilität des Oszillators b Versatz zu Beginn
Quelle Sichitiu, Veerarittiphan. Simple,
Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor
Networks
11
Zeitpunkte bestimmen
K1
K2
tx
message
ty
reply
tz
t
t
Quelle Sichitiu, Veerarittiphan. Simple,
Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor
Networks
12
Abschätzung der Parameter
Datenpunkt 3
t/s
tz3
tx3
Datenpunkt 2
tz2
tx2
Datenpunkt 1
tz1
tx1
a12
b12
t/s
ty2
ty3
ty1
Quelle Sichitiu, Veerarittiphan. Simple,
Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor
Networks
13
mini-sync

• viele Datenpunkte ? bessere Abschätzung
• begrenzter Speicherplatz ? wenige Punkte
  speichern
• Lösung 1 nur zwei Tripel speichern
• Lösung 2 nur nützliche Werte Speichern

Quelle Sichitiu, Veerarittiphan. Simple,
Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor
Networks
14
Werte filtern

• verwerfen von txi mit
• steigung(txi,txj) steigung(txj,txk)
• 1 i j k
• für tzi in ähnlicher Weise möglich

Quelle Sichitiu, Veerarittiphan. Simple,
Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor
Networks
15
Zusammenfassung tiny- und mini-sync

• zwei Möglichkeiten
• je nach Speicher und CPU auswählbar
• während des Betriebs umschaltbar
• Experiment tiny nur um 2 ungenauer

Quelle Sichitiu, Veerarittiphan. Simple,
Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor
Networks
16
Römer

• kein Zeitpunkt, sondern Intervall
• Intervall wird beim routing durch Fehler größert
• Voraussetzung 1 Stabilität pi bekannt
• Voraussetzung 2 Austausch zweier Pakete

Quelle Römer. Time Synchronization in Ad Hoc
Networks
17
Austausch von zwei Paketen
K1
K2
M1
t1
t2
M2
t3
t4
t5
t3
t
t
Quelle Römer. Time Synchronization in Ad Hoc
Networks
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Intervall-Transformation

• erhalten
• tx,ty
• transformiert
• t4-(t3-tx)(1p2)/(1-p1)-(rtt-idle(1-p2)/(1p1)),
• t4-(t3-ty)(1-p2)/(1p1)

Quelle Römer. Time Synchronization in Ad Hoc
Networks
19
Zusammenfassung Römer

• Intervall zur Abschätzung, Fehler ablesbar
• Vorausetzung mind. zwei Pakete
• Vorausetzung pi bekannt
• idle gering halten
• idle und rtt für jedes Paket bestimmt

Quelle Römer. Time Synchronization in Ad Hoc
Networks
20
Warum Topologiemessung?

• routing in eine geographische Region
• feststellen der Netztopologie
• bestimmen des Aufenthaltsortes
• Netzabdeckung testen

21
Wodurch Topologiemessung?

• Abstände zwischen je zwei Punkten bestimmen
• abhängig von vorhandener Hardware
• Funkwellen
• Licht / Laser
• Schall / Ultraschall

22
Wie Topologiemessung?

• inkrementieren der Sendestärke
• Empfangsstärke bestimmen
• Zeitunterschied
• Verbindungen
• Winkel

23
Lateration

• 2D mind. drei nicht collineare Punkte
• 3D mind. vier nicht coplanare Punkte
• aber Bedingungen können aufgeweicht werden

Quelle Hightower, Borriello. Location Sensing
Techniques
24
Angulation

• Abstand d bekannt
• Winkel a und ß messbar
• festgelegter Vektor, z.B. Richtung Nordpol

N
N
a
d
ß
Quelle Hightower, Borriello. Location Sensing
Techniques
25
Verbindungen

• Ankernetz vorhanden
• Position der Anker bekannt
• gleiche Sendereichweite
• range-free

Quelle Hightower, Borriello. Location Sensing
Techniques
26
Approximate Point-In-Triangulation Test
K'
K
C
B
Quelle He, Huang, Blum, Stankovic, Abdelzaher.
Range-Free Localization Schemes for Large Scale
Sensor Networks
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Grid SCAN
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
2
1
1
1
0
0
0
1
2
2
2
1
1
0
0
0
0
3
3
1
1
1
1
0
1
2
3
3
2
1
1
1
0
1
1
2
1
1
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
Quelle He, Huang, Blum, Stankovic, Abdelzaher.
Range-Free Localization Schemes for Large Scale
Sensor Networks
28
Self-Positioning Algorithm
jeder Knoten N0 führt aus

1. finde alle Nachbarn Ni
2. bestimme Abstand zu allen Ni
3. sende diese Daten an alle Ni

Quelle Capkun, Hamdi, Hubaux. GPS-free
positioning in mobile ad hoc networkss
29
Local View Set
N0
N1
d01
Quelle Capkun, Hamdi, Hubaux. GPS-free
positioning in mobile ad hoc networkss
30
Local View Set
N2
d02
d12
N0
N1
d01
Quelle Capkun, Hamdi, Hubaux. GPS-free
positioning in mobile ad hoc networkss
31
Zwei Local View Sets
N3
N2
d03
d34
d02
d12
N0
N1
N0
N4
d01
d04
Quelle Capkun, Hamdi, Hubaux. GPS-free
positioning in mobile ad hoc networkss
32
Zwei Local View Sets zusammen
N4
N2
N3
N0
N1
N3
N4
Quelle Capkun, Hamdi, Hubaux. GPS-free
positioning in mobile ad hoc networkss
33
Zwei Local View Sets zusammen
N2
N4
N0
N1
N3
N4
N3
Quelle Capkun, Hamdi, Hubaux. GPS-free
positioning in mobile ad hoc networkss
34
Zwei Local View Sets zusammen
N2
N4
N0
N1
N4
N3
N3
Quelle Capkun, Hamdi, Hubaux. GPS-free
positioning in mobile ad hoc networkss
35
Zwei Local View Sets mit neuem Knoten
N3
N2
N5
N0
N1
N4
N0
N5
Quelle Capkun, Hamdi, Hubaux. GPS-free
positioning in mobile ad hoc networkss
36
Zwei Local View Sets vereint
N2
N0
N1
N5
N4
N3
Quelle Capkun, Hamdi, Hubaux. GPS-free
positioning in mobile ad hoc networkss
37
n-hop entfernte Nachbarn
N2
N1
N0
Quelle Capkun, Hamdi, Hubaux. GPS-free
positioning in mobile ad hoc networkss
38
Ende

• Danke
• Bastian L. Blywis
• bastian_at_blywis.de
• WS2003/04
• FU-Berlin, FB Informatik