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Exploiting Moore‘s Law wrt. Scale
one mainframe for many desktop PC for one many devices for one
Size Number
4
How to Network many Devices?• Small (and possibly mobile devices) wireless networking
• “Classical” wireless Networking uses base stations– Example: Wireless LAN– Example: Mobile Phones
• Why always relying on an infrastructure?– Less maintenance cost without relying on an infrastructure– Rapid installation of a network if infrastructure is used– Communication would be for free– Not involving a far away base station may even save communication bandwidth
• Try to construct a network without infrastructure, using networking abilities of the participants
• Simplest example: Laptops in a conference room – a single‐hop ad hoc network
• More sophisticated example: multihop ad‐hoc networks
WS 13/14 Lokale Netzstrukturen ‐ Einführung 5
Ad‐Hoc Networking Examples
• Factory floor automation
Disaster recovery
Car-to-car communication
ad ho
c
ad ho
c
Military networking: Tanks, soldiers, … Finding out empty parking lots in a city, without asking a server Search-and-rescue in an avalanche Personal area networking (watch, glasses, PDA, medical appliance, …) Rooftop networks … Lokale Netzstrukturen ‐ EinführungWS 13/14 6
The Wireless Sensor Network Idea
Sensor Node Sensor Network
Lokale Netzstrukturen ‐ EinführungWS 13/14 7
Example: Environmental Monitoring
Example: Great Duck Island, Berkeley, Culler et al.Lokale Netzstrukturen ‐ EinführungWS 13/14 8
Example: Precision Agriculture• Example: LOFAR project
– Fighting Phytophtora using micro‐climate– Temperature and relative humidity
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Example: Exploration of Unknown Territory
Example: CotsBots, Berkeley, Pister et al.Lokale Netzstrukturen ‐ EinführungWS 13/14 11
Example: Traffic Telematics
Image source: www.whnet.com/4x4/telematics.htmlLokale Netzstrukturen ‐ EinführungWS 13/14 12
More Examples
Building Automation
Home Automation
Industrial Automation
Logistics
Lokale Netzstrukturen ‐ EinführungWS 13/14 13
Die Idee der drahtlosen Sensor‐Aktuator‐Netze
Beispiel Gebäudeautomatisierung
Generell: Aktoren in den Beispielanwendungen von Sensornetzen
Lokale Netzstrukturen ‐ EinführungWS 13/14 14
Idee: Mobile autonome Roboter‐Sensor‐Netze
Beispiel: Überwachung eineskontaminierten Gebietes
Beispiel: Exploration von unerforschtemschwer zugänglichem Gebiet
Lokale Netzstrukturen ‐ EinführungWS 13/14 15
Idee: Kombinierte mobile Roboter‐ und Sensor‐(Aktuator)‐Netze
Mobile Roboter als drahtloseSupport‐Knoten oder Data‐Mules
Mobile Roboter für Deployment und Maintenance von drahtlosen Sensor‐
(Aktuator)‐Netzen
Lokale Netzstrukturen ‐ EinführungWS 13/14 16
Drahtlose Kommunikation = Unzuverlässige Kommunikation
LOS-Weg
NLOS-Weg
Typisches Fading‐Verhalten Hauptursache: Mehrwegeausbreitung
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Große Kollisionsdomäne Broadcast‐StürmeRedundanteÜbertragungen
Auslieferungsrate
Kollisionen &
Netzdichte
niedrig
hoch
WS 13/14 Lokale Netzstrukturen ‐ Einführung 21
Energie‐Effizienz Multihop
10 m
1 nJoule/Bit…
Bluetooth‐Beispiel 100m in einem Hop: 100nJ/Bit 100m in zehn Hops: 10nJ/Bit
Distanz
Sign
alst
ärke
100 m
100 nJoule/Bit
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Energieeffizienz Schalf‐Wach‐Zyklen
Psleep
Pactive
t
P“Traditionelle” MAC-Verfahren:
Psleep
Pactive
t
PEin ideales energieminimales MAC-Verfahren:
Power Consumption
Power Consumption
Power Savings
TX/RX TX/RX TX/RX
TX/RX TX/RX TX/RX
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Energieeffizienz In‐Network‐Processing
S3Sink: computemax(d1,d2,d3)
S1
S2
send(d1)
send(d2)
send(d3)
S3 Sink
S1
S2
send(d1)
send(d2)
computem = max(d1,d2,d3)
send(m)
Beispiel: Maximum‐Berechnung
Kommunikationseinsparungen durch DatenaggregationWS 13/14 Lokale Netzstrukturen ‐ Einführung 25
Energieeffizient und kleine Größe Limitierte Ressourcen
BTNode
Mica2
Mica2Dot
Tmote Sky
Imote
Source: http://www.btnode.ethz.ch/Projects/SensorNetworkMuseum
Serial attached Flash in kB
Internal RAM in kB
Flash RAM in kB
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Energieeffizient und kleine Größe Limitierte Ressourcen
CC1000 CC1021 CC2420 TR1000 XE1205
Bit Rate[kbps]
76.8 153.6 250 115.2 1.2 - 152.3
Sleep Mode[uA]
0.2 - 1 (osc. core off)
1.8 (core off) 1 0.7 0.2
RX [mA] 9.3 (433MHz) / 11.8 (868MHz)
19.9 19.7 3.8 (115.2kbps)
14
TX Min [mA] 8.6 (-20dBm) 14.5 (-20dBm)
8.5 (-25dBm) 33 (+5dBm)
TX Max [mA] 25.4 (+5dBm)
25.1 (+5dBm)
17.4 (0dBm) 12 (+1.5dBm)
62 (+15dBm)
Source: http://www.btnode.ethz.ch/Projects/SensorNetworkMuseumWS 13/14 Lokale Netzstrukturen ‐ Einführung 27
Considering Attenuation
© http://141.84.50.121/iggf/Multimedia/Klimatologie/physik_arbeit.htm
SRX =
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Further Effects
• Reflection & Refraction
• Diffraction
• Scattering
• Doppler Shift
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Modeling the Time Varying Nature• Consider mobile sender receiver pair
• Modeling received signal strength as R.V. X
• Considering probability P[X · x] (the CDF)
• Example: Rayleigh Fading Model– No line of sight– Exponential distributed CDF
• Example: Ricean fading model– Dominant line of sight– Ricean distributed CDF
WS 13/14 Lokale Netzstrukturen ‐ Einführung
Zero Power with Infinite Relays?
• Direct transmission
• Transmission with n relays
s t
d
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