Vezeték nélküli szenzorhálózatok Vida Rolland Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Távközlési és Médiainformatikai Tanszék vida@tmit.bme.hu 1
Infrastruktúra nélküli hálózatok Mit jelent az infrastruktúra? Vezetékes hálózatoknál Egyrészt maga a vezeték Kábelek, oszlopok, stb. Másfelől dedikált hálózati eszközök Útválasztók DHCP szerver AAA (Authentication, Authorization, Accounting) szerver Tűzfal/NAT SIP szerver Stb. Vezeték nélküli hálózatoknál Hozzáférési pontok (AP) vagy bázisállomások(bts) Belső hálózati eszközök(msc, HLR, SGSN, GGSN, DHCP, AAA, stb.) Optikai vagy vezeték nélküli maghálózat 2
Vezeték nélküli hálózatok Infrastruktúrát használó hálózatok WLAN IEEE 802.11x WMAN IEEE 802.16x (WiMax) Mobil/cellás hálózatok GSM, GPRS, EDGE, UMTS, HSDPA, HSUPA, LTE Infrastruktúra nélküli hálózatok WPAN Bluetooth, Zigbee Mobil ad-hoc hálózatok(manet) Mozgó hálózatok (MONET) Hálózati mobilitás(nemo) Járműhálózatok -Vehicular ad hoc networks (VANET) Szenzor hálózatok Wireless Sensor Networks (WSN) WBAN Wireless Body Area Network Konvergens hibrid hálózatok Néhány kapcsolódási pont az infrastruktúrához A hálózat működése nagyrészt független az infrastruktúrától 3
Szenzorok jellemzői Kisméretű eszközök, érzékelési, adatfeldolgozásiés (rádiós) kommunikációs képességekkel Limitált erőforrások CPU < 10 MIPS; Intel Core i7 100.000 MIPS memória ~ 4 kbyte Korlátozott energiatartalék pl. AAA elemek MICA Particle-C Feladat: Valamilyen környezeti paraméter monitorozása egy adott területen, adatok gyűjtése és továbbítása egy nyelő állomás felé SCOUT AD 4
Szenzor hálózatok (elvárt) tulajdonságai Sok, kicsi, olcsó szenzor Vezeték nélküli kommunikáció ad-hoc hálózat kialakítás, kis sebességű adatátvitel(~10 100 kbps) További követelmények: hosszú élettartam Felügyeletmentes működés megbízhatóság DSN -DARPA ITO SensIT program 5
Tipikus felhasználási területek Egészségügy Idősek felügyelete, katasztrófa elhárítás Ipari folyamatok gyártósor monitorozás; készletnyilvántartás Környezetvédelem Élőhely monitorozás. természeti jelenségek előrejelzése Mezőgazdaság precíziós gazdálkodás Mérnöki alkalmazások Épületek, hidak statikai monitorozása, forgalom monitorozás Intelligens épületek intelligens otthon; intelligens iroda Katonai alkalmazások Nyomkövetés, határ felügyelet orvlövész detektálás Űrkutatás Mars szondák forrás: Gy. Simon 6
Kutatói szemmel is érdekes? A szenzorhálózatok területe még mindig egy hot topic Rengeteg kutató, a világ minden pontján IEEE Infocom 2005, Miami, USA Az egyik legelismertebb konferencia az infokommunikáció, a hálózatok területén Nagyon tág tematika Optikai hálózatok, cellás hálózatok, P2P, multimédia protokollok, forgalomanalízis, hálózati architektúrák, biztonság, stb.... és szenzorhálózatok 1600 beküldött cikk Ebből 400 szenzorhálózatokkal kapcsolatos IEEE International Conference on Communications ICC 2013, Budapest (http://ieee-icc.org/) ~ 2500 beküldött cikk, 260 Ad Hoc & Sensor Networks 7
Konferencia dömping ASTSA 2012, Third International Workshop on Advances in Sensor Technologies, Systems and Applications, November 2012, Victoria, Canada IEEE SenseApp 2012, Seventh IEEE International Workshop on Practical Issues in Building Sensor Network Applications, October 2012, Florida, USA IWSSN 2012, The 1st International Workshop on Smart Sensor Networks, October 2012, China SN 2012, The Fifth International Workshop on Sensor Networks, july 2012, Munich, Germany CAC-WSN 2012, The 2012 International Workshop on Context-Aware Computing Applications and Services via Wireless Sensor Network, Sept. 2012, Korea PWSN 2012, 4th International Workshop on Performance Control in Wireless Sensor Networks, May 2012, China SESP 2012, 1st ACM International Workshop on Sensor-Enhanced Safety and Security in Public Spaces, June 2012, South Carolina, USA MOBISENSOR 2012, 3nd International Workshop on Mobility in Wireless Sensor Networks, May 2012, China IWSN 2012, Interconnections of Wireless Sensor Networks, May 2012, China DMPS 2012, The First International Workshop on Data Management in Participatory Sensing, July 201, Bangalore, India RoboSense 2012, The International Workshop on Cooperative Robots and Sensor Networks, August 2012, Ontario, Canada SNIGM 2012, The Second International Workshop on Sensor Networks for Intelligence Gathering and Monitoring, August 2012, Niagara Falls...és még sok más 8
Folyóírat dömping Dedikált folyóíratok ACM Transactions on Sensor Networks Ad Hoc and Sensor Wireless Networks, an International Journal IEEE Communications Magazine Ad hoc and Sensor Networks Series Inderscience International Journal of Sensor Networks IJSNet International Journal of Distributed Sensor Networks Különszámok tágabb tematikájú folyóiratokban Special Issue of Elsevier Ad Hoc Networks Journal on Bio inspired Computing and Communication in Wireless Ad Hoc and Sensor Networks Issue of IEEE Wireless Communications on Wireless Sensor Networking Special Issue of Elsevier Computer Networks Journal on Wireless Multimedia Sensor Networks... és még sok más 9
Szenzorhálózatok csoportosítása Kommunikáció jellege szerint Egyugrásos (single-hop) hálózatok A szenzor közvetlenül kommunikál a nyelővel Kis kiterjedésű hálózatok Nyelő a rádiós hatósugaron belül Többugrásos (multi-hop) hálózatok A szenzorok egymás csomagjait továbbítják a nyelő felé Szükség van útválasztásra Nagyobb területet lefedő hálózatok A lekérdezési mód szerint Idővezérelt (time-driven) hálózatok Periódikusan minden szenzor elküldi mérési adatait Pl. úttestbe épített szenzorok, számolják az autókat egy útszakaszon Eseményvezérelt (event-driven) hálózatok Csak akkor riasztanak a szenzorok, ha valami szokatlant érzékelnek Pl. a hőmérséklet 45 C fölé emelkedik Lekérdezésvezérelt (query-driven) hálózatok A szenzor csak akkor küldi el mérési adatait, ha a nyelő kéri Pl. a kert melyik részen száraz a föld 10
Megoldandó kérdések Szenzorok elhelyezése Hány szenzort telepítsünk és hova? (Többszörös) lefedettség biztosítása A teljes területet képesek legyünk monitorozni Ha egy szenzor lemerül vagy meghíbásodik, ne maradjon lefedetlenül a területe (Többszörös) összefüggőség biztosítása Bármely szenzortól létezik (több) út a nyelő felé Gráfelméleti kérdések Energiahatékonyság Az egyik legfontosabb. és legkutatottabb terület Alacsony energiafelhasználású hardver tervezés Energiahatékony szoftverek Energiahatékony kommunikáció 11
Megoldandó kérdések Energiahatékony kommunikáció Minél kevesebb adatot küldjünk Adataggregáció Többen érzékelik ugyanazt az eseményt, felesleges redundancia Aggregálható adatok Csak az átlag, vagy a maximum érdekes Hol aggregáljunk? Meddig várjunk az adatokra? Klaszterezés Hierarchikus struktúra Szenzorok kommunikálnak a klaszterfejjel A klaszterfej a nyelővel Dedikált klaszterfej, több erőforrással Váltakozó klaszterfej szerep a szenzorok között Ki vegye át a szerepet, és mikor? Hány klaszter legyen? Ki hova tartozzon? 12
Megoldandó kérdések Energiahatékony kommunikáció Minél közelebbre küldjük Nyelőállomás(ok) optimális elhelyezése A szenzor és a legközelebbi nyelő közötti távolságok minimalizálása Hány nyelőre van szükség, a hálózat méretének, illetve az alkalmazás igényeinek (pl. késleltetés) függvényében? Nyelőállomás mozgatása Véletlenszerű mozgás Amerre járnak, összeszedik az adatokat Nem valós idejű alkalmazások esetére A szenzorhálózatnak nem kell összefüggőnek lennie Előrejelezhető mozgás A nyelőállomás egy kijelölt útvonalon halad A szenzor akkor küld, amikor a legközelebb van a nyelő Meddig maradjon egy helyen (sojourn time)? Adaptív mozgás A nyelő közel mozog az aktív eseményekhez A nyelő elmozog, ha körülötte lemerülnek a szenzorok Mikor mozogjon? Hova menjen? 13
Megoldandó kérdések A hálózat élettartamának növelése Az élettartam meghatározása alkalmazásfüggő Ameddig él minden szenzor Ameddig él a szenzorok X %-a Ameddig teljes a lefedettség (100%) Ameddig a lefedettség X %-os Ameddig elérhető a nyelő a szenzorok számára, stb. Egyenletes terhelés biztosítása A hálózat folyamatosan merül Egyugrásos hálózatban a távoli szenzorok merülnek le előbb Feltéve, hogy a nyelő melletti szenzorok csökkenteni tudják a küldési teljesítményüket Többugrásos hálózatban a nyelő köruli szenzorok merülnek le Mindenki más rajtuk keresztül kommunikál a nyelővel Eseményvezérelt hálózatban az eseménydús területeken, és az onnan a nyelőhoz vezető útvonalakon merülnek le a szenzorok 14
Megoldandó kérdések A hálózat élettartamának növelése Egyenletes terhelés biztosítása Intelligens útválasztó algoritmusok a terhelés kiegyenlítésére Érdemes egy hosszabb útvonalat választani, ha ott több az energia Érdemes egy távolabbi nyelőhöz küldeni, ha ott több az energia Biztonsági és megbízhatósági kérdések A hagyományos hálózatokra kidolgozott megoldások nem használhatók Nincs erőforrás bonyolult hitelesítésre, titkosításra (Általában) nincs erőforrás újraküldésekre Minél kevesebb ütközés Hatékony közeghozzáférési (MAC) megoldások Alvás-vezérlés (sleep scheduling) 15
Megoldandó kérdések Rengeteg más kérdés... Más típusú hálózatokkal (vezetékes, mobil) való integrálás IPv6 6LoWPAN Heterogén szenzorok, heterogén környezet Internet of Things Szolgáltatásminőség (QoS) biztosítása Lokalizáció és szinkronizáció Szenzorok mobilitása Fújja a szél, viszi a víz, vagy a felhasználó a cipőjében Folyamatosan változó topológia, dinamikus hálózat Speciális környezetben működő hálózatok Pl. víz alatti szenzorhálózatok Szimuláció és modellezés A nagy hálózatok az érdekesek, nehéz mérni Stb. 16
Nagyméretű vezeték nélküli szenzor teszthálózat 4 x 256 csomópontos hálózat Szimulációk helyett vallós mérések Útválasztó algoritmusok, energia hatékony kommunikáció, adat aggregáció Fix és mobil szenzorok, fix és mobil nyelőállomás 17
18
Példa alkalmazás - Aktív vulkán monitorozása G. Werner-Allen, K. Lorincz, M. Welsh, O. Marcillo, J. Johnson, M. Ruiz and J. Lees, Deploying a wireless sensor network on an active volcano, IEEE Internet Computing 10 (2006) (2), pp. 18 25. Résztvevők Harvard University University of North Carolina University of New Hampshire Instituto Geofisico, Ecuador Teszthálózatok Tungurahua vulkán (5023 m), Ecuador, 2004 3 szenzor 3 napig gyűjtotte az adatokat Reventador vulkán (3562 m), Ecuador, 2005 16 szeizmoakusztikus szenzor, 3 km-es terület, multi-hop 3 hét alatt 230 vulkanikus esemény észlelése 19
Aktív vulkán monitorozása Szenzorok Szeizmikus mozgás Infrahang mikrofonok Emberi füllel nem érzékelhető 16-20 Hz alatti frekvencia Bálnák, elefántok is bocsátanak ki ilyen hangokat, több száz kilométerre terjednek Inkább nagyobb kiterjedésű területet vizsgálni, a szeizmikus és infrahang jelek terjedését nézni Gyér hálózat, hosszú de keskeny ágak a topológiában 20
Aktív vulkán monitorozása 2005 Matt Welsh Harvard University 21
Reventador vulkán monitorozása (2005) Szenzorok elhelyezése 22
Reventador vulkán monitorozása (2005) 23
Reventador vulkán monitorozása (2005) Szenzorok Geospace Industrial GS-11 geophone Olcsó (80 USD alatt) Geospace Industrial GS-1 Drága, sokkal érzékenyebb, csak két csomóponton Panasonic infrahang mikrofon 24
Reventador vulkán monitorozása (2005) Antenna 8,5 dbi körsugárzó 400m+ hatótávolság 1,5 méteres PVC csőre erősítve A földfelszíni reflexiók tompítása miatt Mikrofon a csőre erősítve Szeizmométer a földbe elásva 25
Reventador vulkán monitorozása (2005) A kihelyezett hálózat messze a központtól (4 km) Nincs direkt rálátás, közvetlen rádiós kommunikáció nem működik Három FreeWave rádiós modem a konnektivitás biztosítására Egy a központban, egy a megfigyelés helyén, egy pedig egy magas dombon, átjátszóként Mindegyiknél egy autó akkumulátor, melyet napelemekkel töltenek újra 26
Reventador vulkán monitorozása (2005) 27
Wireless Body Area Network (WBAN) Testközeli hálózatok Szenzorok a testben, a testen, a ruhában Személyes felhasználói eszközök gateway funkcióval Szenzorok valós időben monitoroznak életfunkciókat Adatok küldése az orvosi központba, mentőállomásra Hosszú távú monitorozás hatékonyabb mint periodikus mérések 28
Wireless Body Area Network (WBAN) Három forgalom típus: On-demand: az orvos kérésére Emergency traffic: hirtelen esemény jelzése Normal traffic: folyamatos monitorozás és küldés 29
WBAN szenzorok Testhőmérséklet, vérnyomás, pulzus, lélegzés EKG (szívműködés), EEG (agyműködés) Beültetett RFID chip azonosítás, orvosi adatok tárolása WBAN aktuátorok Inzulin adagoló Folyamatos vércukor monitorozás Ha szükség van rá, aktiválja az adagolót Hátgerinc stimulátor, izom stimulátor Mesterséges retina, Pacemaker 30
WBAN vs. WSN Még korlátozottabb energiatartalék (WBAN), akis méretből adódóan is (< 1 cm 3 ) Nem lehet újratölteni, de elvárt a több éves vagy évtizedes működés Energia termelés a test hő és vibrációk átalakításából Nincs redundancia, csak olyan eszközt ültetnek be amire szükség van Nagyon alacsony rádiós adóteljesítmény engedélyezett csak A rádiós hullámokat jelentősen csillapítja a test, nagy a csomagvesztési arány Antenna a testen belül csak bio-kompatibilis anyagból Platina vagy titánium, nem annyira hatékony mint a réz Fontos a privát orvosi adatok biztonsága WBAN érdekességek H-MAC Heartbeat driven Medium Access Control Szenzorok szinkronizálása, rádiós közeghozzáférés vezérlése szívritmus alapján TARA Thermal Aware Routing Algorithm A rádiós hullámokat elnyeli, hővé alakítja a test A TARA elvezeti a csomagokat a meleg területekről 31
Részletesebben a szenzorhálózatokról Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (TMIT) VITMM348, MSc Vill. Kötelezően választható tárgy 2+1, tavaszi félév Szenzorhálózatok (MIT+TMIT) VIMIJV84, szabadon választható tárgy 4+0, őszi félév 32
Smart Dust 33