Лекция 2 - wl.unn.ru

Беспроводной канал в сенсорных
сетях
Сайт курса:
http://www.sumkino.com/wsn/course
Садков Александр
Аспирант РФ
axel@wl.unn.ru
http://www.wl.unn.ru
План
 Введение
 Эффекты в беспроводных каналах связи
 Пространственные характеристики
 Потери пакетов в канале
 Ассиметричные каналы
 Временные характеристики
 Эффект «захвата».
 Влияние на протоколы верхних уровней
 Моделирование.
 Заключение
Введение
в беспроводные каналы связи в
сенсорных сетях
Основы распространения радиоволн
 Простая модель: Волновой
фронт распространения
радиоволн от изотропного
источника в свободном
пространстве.
 Pr = Pt A / (4πr2)
 Мощность сигнала
обратнопропорциональна
расстоянию.
 Характеристики антенны.
Основы распространения радиоволн

Отражение



Дифракция




Радио трасса может перекрываться множеством объектов.
Радиоволны могут огибать такие препятствия.
Это объясняет каким образом существует радиосвязь в
отстутствии прмой видимости.
Рассеяние




Радио волны отражаются от объектов >> λ (30 cm @1 GHz)
Земная поверхность, стены, мебель, здания.
Когда среда имеет множество объектов < λ (30cm @1 GHz)
Принцип похож на дифракцию, но рассеивается во множестве
направлений.
Шероховатые поверхности, небольшие объекты.
Другие : Fading and multipath
Основы распространения радиоволн
 Крупномасштабные и мелкомасштабные эффекты.
 Потери распространения (Path Loss).
 Затенения (Shadowing)
 Замирания (Fading)
Основы распространения радиоволн
Log-normal shadowing model
 Мощность сигнала затухает с расстоянием с постоянной
экспонентой, которая зависит от условий окружающей
среды.
 Затенения
 Связаны с ослаблением сигнала вследствии пересечения
затенящими объектами линии пересечения приемника и
передатчика.
 Могут моделироваться как логарифмический член с
гауссовским распределением.
PL(d) = PL(d0 ) +10 n log (d / d0 ) + Xσ
Основы распространения радиоволн
Log-normal shadowing model
 Небольшой масштаб – порядка длины волны.
 Интерференция волн, отраженных от разных объектов.
 Сильное влияние в indoor environment.
 Моделируется с помощью различных распределений.
 Релеевские каналы.
 Райсовские каналы.
 В идеальном случае, когда нет мобильных объектов и вся
обстановка статична, замирания не должны зависеть от
времени.
Основы распространения радиоволн
Log-normal shadowing model
K. Sohrabi, B. Manriquez, and G. Pottie, "Near Ground Wideband Channel Measurement",
IEEE Vehicular Technology Conference, 1999.
Основы распространения радиоволн
Low-power wireless links
 Окружающая среда
 Как узлы ведут себя в реальной среде (лес, земля и т.д.)
 Масштабируемость.
 Какие радио характеристики проявляются в больших сетях
(возможно с большой плотностью).
 Взаимодействие между уровнями.
 Как влияет на протоколы сетевого и MAC уровней.
 Моделирование.
 Как моделировать беспроводные каналы для повышения
точности симуляторов.
Основы распространения радиоволн
Почему сложно изучать и моделировать?
 Технологии «железа».
 Частота, тип антенны, уровень мощности, чувствительность,
модуляция, кодирование.
 Различные приложения.
 MAC, размер пакета, схемы повторной передачи,
распределение трафика.
 Условия окружающей среды.
 Indoor/Outdoor, окружающие материалы, погодные условия,
условия размещения (LOS or NLOS).
Различные эффекты в
беспроводных каналах связи
Эффекты в беспроводных каналах связи
Пространственные эффекты
CC1000 Radio Propagation
*Zhou et. al. 04, Polastre et al, 04
Zigbee Radio Propagation
Эффекты в беспроводных каналах связи
Пространственные эффекты
 Непрерывное изменение.
 Потери сигнала меняются
непрерывно с изменением
рассматриваемого угла.
 Причины.
 Отражение, дифракция,
рассеивание.
 Диаграмма
направленности антенны.
 Особенности железа.
Эффекты в беспроводных каналах связи
Пространственные эффекты
Неизотропность RSSI проявляется в сильной вариации PRR.
Low transmit power
High transmit power
D. Ganesan, B. Krishnamachari, A. Woo, D. Culler, D. Estrin, and S. Wicker. Complex
Behavior at Scale: An Experimental Study of Low-Power Wireless Sensor Networks.
Эффекты в беспроводных каналах связи
Transition region
Reception rate vs Distance
 Reception Rate: процент принятых пакетов от переданых.
 Нет четкой корелляции от расстояния. Сильно варьируется.
 Среднее значение соответствует традиционной модели
распространения радиоволн d-n.
Эффекты в беспроводных каналах связи
Transition region
 Множество соседних
узлов может попасть в
«переходную область».
A. Woo, T. Tong, and D. Culler. Taming the Underlying Challenges of Reliable Multihop
Routing in Sensor Networks. Sensys'03.
Эффекты в беспроводных каналах связи
Transition region
Эффекты в беспроводных каналах связи
Link Asymmetry
 Узел A может передавать узлу B, а узел B не может
передавать узлу A.
 Почему ассиметричные линки становяться проблемой?
 Узел A думает, что B его сосед и посылает ему пакет, но
никогда не получает ACK.
 Существование ассиметрии требует идентификации узлов
как «хороших» соседей.
 Откуда появляются ассиметричные каналы?
 Законы физики не позволяют этого. Все эффекты в каналах
связи симметричны: потери распространения, затенения,
многолучевое распространение.
Эффекты в беспроводных каналах связи
Link Asymmetry
Kotz et al
Эффекты в беспроводных каналах связи
Link Asymmetry
Преобладающее количество ассиметричных каналов
находятся в переходной зоне
Ganesan et al
Эффекты в беспроводных каналах связи
Link Asymmetry
 При смене местами узлов, ассиметричные каналы
инвертировались.
 Ассиметричность вызвана неточностями в калибровке
«железа» и не связана с условиями окружающей среды.
Эффекты в беспроводных каналах связи
Temporal variability
Cerpa et. al. 03
Эффекты в беспроводных каналах связи
Temporal variability
Node 1 , RSSI
Node 2, RSSI
Эффекты в беспроводных каналах связи
Temporal variability
Node 2, RSSI
Node 2, Temperature
Эффекты в беспроводных каналах связи
 Разные узлы имеют разные передаваемые мощности из-за:
 Разного уровня заряда батарей.
 Разной калибровки «железа»
Один узел с различным
уровнем заряда батарей
Zhou et al
Разные узлы с одним
уровнем заряда батарей
Эффекты в беспроводных каналах связи
Concurrent Packet Transmissions
Dongjin Son, Bhaskar Krishnamachari,John Heidemann ,” Experimental Analysis of
Concurrent Packet Transmissions in Low-PowerWireless Networks”
Эффекты в беспроводных каналах связи
Capture Effect
Мощность передатчика SRC2 фиксирована на -4dBm.
PRR
RSSI
Эффекты в беспроводных каналах связи
Capture Effect
Принимаются пакеты
от 2-го передатчика
Все пакеты потеряны
Принимаются пакеты
от 1-го передатчика
Эффекты в беспроводных каналах связи
Capture Effect
Эффекты в беспроводных каналах связи
Capture Effect


Зависит от
устройства
приемника
Может быть
использован для
обнаружения
коллизий
*Exploiting The Capture Effect For Collision Detection And Recovery.
Whitehouse, Woo, Jiang, Polastre, Culler
Влияние эффектов беспроводного
канала связи на протоколы верхних
уровней.
Влияние на протоколы верхних уровней
Asymmetric Links
 Многие приложения используют флудиг и передачу по
обратному пути (reverse path forwarding (RPF)).
 Flooding + RPF = Беда
 Flooding полагается на длинные линки, чтобы передавать
информацию как можно быстрее.
 Длинные линки часто ассиметричны, так как лежат в переходной
зоне.
 RPF не может передать информацию.
 Пример длинных линков + асимметрии оказывает негативное
влияние на протоколы верхних уровней.
Влияние на протоколы верхних уровней
Asymmetric Links
 Подход 1: Избежание асимметричных каналов.
 Идея: Запретить асимметричные каналы и удалить их из таблиц
соседей.
 Достоинства: Эффективно в плотных сетях, где существует много
двунаправленных каналов.
 Недостатки: Система может потерять некоторые «хорошие»
каналы.
 Подход 2: Использование асимметричных каналов.
 Идея: Асимметричные каналы часто длинные и могут достигать
дальних узлов. Можно сократить число хопов.
 Достоинства: Использование таких каналов позволяет сократить
число хопов, повысить пропускную способность, уменьшить
задержки.
 Недостатки: Невозможно использование обратной связи.
Влияние на протоколы верхних уровней
Размер пакета
 PRR зависит не только от расстояния и окружающих условий,
но и от используемой схемы коррекции ошибок.
 Небольшие пакеты менее подвержены ошибкам.
 Меньше бит в пакете -> меньше вероятность ошибки пакета.
 Влияние:
 Узлы использующие короткие пакеты, не могут точно определить
PRR при использовании более длинных пакетов.
 Использование коротких пакетов, для увеличения дальности
передачи. Например, контрольные пакеты короткие и имеют
бльшую вероятность правильного приема.
Влияние на протоколы верхних уровней
Неизотропность радио покрытия
Влияние на MAC уровень
Влияние на протоколы верхних уровней
Неизотропность радио покрытия
Влияние на MAC уровень
Влияние DOI фактора
Влияние VSP фактора
Влияние на протоколы верхних уровней
Неизотропность радио покрытия
Влияние на сетевой уровень
Влияние DOI фактора
Влияние VSP фактора
Влияние на протоколы верхних уровней
Неизотропность радио покрытия
Влияние на сетевой уровень
Влияние DOI фактора
Влияние VSP фактора
Влияние на протоколы верхних уровней
Неизотропность радио покрытия
Влияние на сетевой уровень
Влияние DOI фактора
Влияние VSP фактора
Моделирование беспроводных
каналов связи
Моделирование
Основная метрика это Packet Reception Rate (PRR)
Ganesan et. al. "Complex Behavior at Scale: An Experimental Study of Low-Power Wireless
Sensor Networks,“ UCLA CS Technical Report UCLA/CSD-TR 02-0013, 2002.
Моделирование
 Степень не изотропности (DOI).
 Определение: Максимальный процент вариации потерь
распространения на единицу градуса направления
распространения.
 Необходимо для учета неизотропности потерь распространения.
 Вариация передаваемой мощности (VSP).
 Максимальный процент вариации передаваемой мощности среди
различных узлов.
 Необходимо для учета различия в калибровке.
Gang Zhou, Tian He, Sunda Krishnamurthy, John A. Stankovic, “Impact of Radio Irregularity
on Wireless Sensor Networks”..
Моделирование
Signal receiving power = signal sending power - path loss + fading
Signal receiving power = VSP adjusted signal sending power –
DOI adjusted path loss + fading
VSP adjusted signal sending power = signal sending power *
(1 ± RandomNum*VSP)
Where RandomNum Є Normal Distribution
DOI adjusted path loss = path loss* KD
K0 = 1
K3 = K2* (1± RandomNum * DOI)
K2 = K1 * (1± RandomNum* DOI)
K1 = K0 * (1± RandomNum* DOI)
Where RandomNum Weibull Distribution
Моделирование
Channel Models
 Модель свободного пространства.
 Самая простая.
 Редко используется
 Модель однократного отражения от земли.
 Учитывает влияние поверхности земли.
 Логарифмическая модель с затенениями (Log-normal shadowing
model)
 Эмпирическая модель.
 Наиболее распространенная.
 Модель на основе пароболического уравнения.
 Достаточно точная.
 Вычислительно сложная.
 Статистические модели.
Моделирование
Channel & Radio Models
α = Eb/N0
Моделирование
Transition region
 Характеризуется:
 Асимметричные каналы
 Сильная нестабильность
в пространстве/времени.
 Высокая
чувствительность к
«железу».
Marco Zuniga and Bhaskar Krishnamachari, Analyzing the Transitional Region in Low
Power Wireless Links
Моделирование
Transition region
SNR
PRR
Моделирование
Transition region
TR coefficient (Γ) = width transitional region / width of connected region
 Наблюдения:
 Γ заивисит в основном от η и σ
 Выходная мощность не влияет
на коэффициент Γ
 Размер фрейма и тип
кодирования не оказывают
сильное влияние на Г.
Моделирование
Transition region
Моделирование
Transition region
Моделирование
Transition region
Моделирование
Transition region
Моделирование
Transition region
Моделирование
Transition region
Моделирование
Capture Effect

Packet reception rate
1   0 ( SINR  1 ) 8( 2 f l )
PRR  (1  e
)
2
1  0.01365RSS 3  2.696RSS 2  176.5RSS  3825

Signal-to-interference-plusnoise-ratio
10 RSSdBm /10  10 N dBm /10
SINRdB  10 log 10
10 JRISdBm /10

Joint received interference
n
strength
JRIS   RIS IFRi
i 1
(RSS - Received signal
strength)
Заключение
 Эффекты в беспроводных каналах связи
 Влияние на протоколы верхних уровней
 Моделирование.
Литература
 Analyzing the Transitional Region in Low Power Wireless Links arco
Zuniga and Bhaskar Krishnamachari
 Experimental Analysis of Concurrent Packet Transmissions Dongjin Son ,
Bhaskar Krishnamachari, John Heidemann
 Exploiting The Capture Effect For Collision Detection And Recovery
Kamin Whitehouse. Alec Woo. Fred Jiang. Joseph Polastre. David Culler
 SCALE a tool for Simple Connectivity Assessment in Lossy
Environments A. Cerpa, N. Busek, D. Estrin
 Understanding the Causes of Packet Delivery Success and Failure in
Dense WSN Technical Report SING-06-00. Kannan Srinivasan and Philip
Levis
The End