Δίκτυα Αισθητήρων: Πρωτόκολλα Προσπέλασης Μέσου (MAC layer) Επίκ. Καθηγητής Συμεών Παπαβασιλείου Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών papavass@mail.ntua.gr Τηλ: 210 772-2550

Δίκτα Αισθητήρων Κάθε κόμβος-αισθητήρας συλλέγει δεδομένα (ακουστικά, σεισμικά...) από το φυσικό περιβάλλον Αποστολή δεδομένων στο κέντρο συλλογής για περαιτέρω επεξεργασία Η αποστολή δεδομένων πραγματοποιείται μέσω δρομολόγησης πολλαπλών βημάτων (multi-hop routing)

Αρχιτεκτονική Δικτύου Αισθητήρων Σταθμός Βάσης Διαδίκτυο ή δορυφόρος B D A E C Σταθμός Έλεγχου και Διαχείρισης Δίκτυο Αισθητήρων Τελικός Χρήστης Κόμβοι Αισθητήρων

WSN general requirements Wireless ad hoc sensor network requirements include the following 1. Large number of (mostly stationary) sensors:  Aside from the deployment of sensors on the ocean surface or the use of mobile, unmanned, robotic sensors in military operations, most nodes in a smart sensor network are stationary. 2. Low energy consuption:  Since in many applications the sensor nodes will be placed in a remote area, service of a node may not be possible. In this case, the lifetime of a node may be determined by the battery life, thereby requiring the minimization of energy expenditure. 3. Ease of installation and maintenance. In case of a malfunction, it is difficult to visit in-situ and check the problem. 4. Network dynamic self-organization:  Given the large number of nodes and their potential placement in hostile locations, it is essential that the network be able to self-organize; manual configuration is not feasible.   5. Querying ability:  A user may want to query an individual node or a group of nodes for information collected in the region.  

Multiple Access Control (MAC) Protocols MAC allows multiple users to share a common channel. Conflict-free protocols ensure successful transmission. Channel can be allocated to users statically or dynamically. Only static conflict-free protocols are used in cellular mobile communications - Frequency Division Multiple Access (FDMA): provides a fraction of the frequency range to each user for all the time - Time Division Multiple Access (TDMA) : The entire frequency band is allocated to a single user for a fraction of time - Code Division Multiple Access (CDMA) : provides every user a portion of bandwidth for a fraction of time Contention based protocols must prescribe ways to resolve conflicts - Static Conflict Resolution: Carrier Sense Multiple Access (CSMA) - Dynamic Conflict Resolution: keeps track of various system parameters, ordering the users accordingly

Media Access in Sensor Networks Why STUDY MAC protocols in sensor networks? Application behavior in sensor networks leads to very different traffic characteristics from that found in conventional computer networks Highly constrained resources and functionality Small packet size Deep multi-hop dynamic topologies The network tends to operate as a collective structure, rather than supporting many independent point-to-point flows Traffic tends to be variable and highly correlated Little or no activity/traffic for longer periods and intense traffic over shorter periods

Κατανάλωση Ενέργειας στα Δίκτυα Αισθητήρων Η αποστολή και η λήψη των δεδομένων απαιτεί την μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο Χαρακτηριστικά: Ενέργεια που απαιτείται για μετάδοση 1 bit σε 100 m = Ενέργεια που απαιτείται για εκτέλεση 300 εντολών (Pottie & Kaiser, 2000) Επιθυμούμε την αύξηση της διάρκειας ζωής του δικτύου Εύρεση τεχνικών για μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο

Κατανάλωση Ενέργειας στα Δίκτυα Αισθητήρων 4 κύριοι λόγοι κατανάλωσης ενέργειας Collisions: Πακέτα γειτονικών κόμβων συγκρούονται κ απαιτείται αναμετάδοση Overhearing: Κόμβοι λαμβάνουν πακέτα τα οποία δεν προορίζονται για αυτούς Control Packet Overhead: Πολλά πρωτόκολλα απαιτούν την αποστολή πακέτων ελέγχου Idle listening: Κόμβοι περιμένουν να λάβουν πακέτα τα οποία δεν λαμβάνουν τελικά

MAC πρωτόκολλα – Ιδιότητες Επιθυμητές Ιδιότητες Ενεργειακά αποδοτικά Επεκτάσιμα Προσαρμόσιμα Μέση καθυστέρηση & ρυθμαπόδοση μπορεί να είναι δευτερεύουσας σημασίας

MAC πρωτόκολλα – Contention based IEEE 802.11 (DCF) ήταν το 1ο standard πρωτόκολλο για την επικοινωνία ασύρματων συσκευών Βασίζεται στη μέθοδο CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) Χρήση RTS/CTS για αποφυγή του προβλήματος «κρυμμένου τερματικού» (hidden terminal problem) Χρήση DATA/ACK πακέτων

MAC πρωτόκολλα – WiseMAC Χρησιμοποιεί np-CSMA με preamble sampling Το preamble προηγείται του πακέτου για να ειδοποιήσει τον κόμβο αποδέκτη (όχι RTS/CTS) Δυνατότητα για δυναμικό καθορισμό του πακέτου Κάθε κόμβος έχει sleep-wake πρόγραμμα Μειονέκτημα: συγκρούσεις λόγω του προβλήματος του κρυμμένου τερματικού

MAC πρωτόκολλα – Contention based Πλεονεκτήματα Απλότητα Ευελιξία – Εύκολη εισαγωγή / απομάκρυνση κόμβων Ευρωστία Δεν απαιτεί συγχρονισμό Δεν απαιτεί γνώση της τοπολογίας Μειονεκτήματα Πολλαπλές συγκρούσεις – το carrier sense δεν δουλεύει για πάνω από ένα hop Μεγάλο πλήθος πακέτων ελέγχου (RTS/CTS) – 40%-75% της χωρητικότητας του καναλιού Μεγάλος χρόνος idle listening (~75% συνολικού χρόνου)

MAC πρωτόκολλα – Periodic Listening Για την μείωση της κατανάλωσης ενέργειας κυρίως λόγω idle listening Κόμβοι περιοδικά «κοιμούνται» και κλείνουν το radio sleep listen Μείωση της κατανάλωσης ενέργειας εις βάρος της αυξημένης καθυστέρησης στη συλλογή δεδομένων

MAC πρωτόκολλα – SMAC Τα κυρίαρχα χαρακτηριστικά του SMAC είναι: Periodic listen and sleep Collision and overhearing avoidance Message passing

MAC πρωτόκολλα – SMAC Schedule 1 Schedule 2 Periodic listen and sleep Listen + Sleep = Frame Οι αισθητήρες συγχρονίζονται στέλνοντας το πρόγραμμα τους Γειτονικοί κόμβοι ακολουθούν το ίδιο πρόγραμμα Ορισμένοι κόμβοι υιοθετούν 2 ή κ περισσότερα προγράμματα Schedule 2 Schedule 1 Στην αρχή κάθε listen περιόδου οι κόμβοι συγχρονίζονται στέλνοντας SYNC

MAC πρωτόκολλα – SMAC Collision & Overhearing Avoidance Χρήση RTS/CTS Χρήση φυσικού & εικονικού carrier sense Χρήση NAV (Neighbor Allocation Vector) Όταν ένας κόμβος ακούσει την μετάδοση ενός γειτονικού του, μπορεί να καθορίσει πόσο χρόνο θα διαρκέσει η μετάδοση κ να «σιωπήσει» Η τιμή αυτή φυλάσσεται στο NAV η οποία κ μειώνεται Για να στείλει ένας κόμβος πρέπει να επιτύχει και το CS αλλά και NAV=0 Όταν ένας κόμβος ακούσει RTS/CTS τότε γνωρίζοντας πόσο διαρκεί η μετάδοση θα κοιμηθεί

MAC πρωτόκολλα – SMAC Μετάδοση μεγάλων πακέτων «Σπάσιμο» του μηνύματος σε πολλά μικρότερα Αποστολή ενός ζεύγους RTS/CTS Γειτονικοί κόμβοι κοιμούνται καθ’ όλη τη διάρκεια της μετάδοσης

MAC πρωτόκολλα – SMAC Κύριο μειονέκτημα Μεγάλη καθυστέρηση λόγω ύπνου των ενδιάμεσων κόμβων Μερική λύση προσφέρει η μέθοδος adaptive listening

MAC πρωτόκολλα – SMAC variations TMAC: Μείωση idle listening μεταδίδοντας τα πακέτα σε burst και μετά κοιμούνται Η περίοδος Listen προσαρμόζεται ανάλογα με το φορτίο του δικτύου Πακέτα ελέγχου RTS/CTS/ACK και FRTS (Future Request to Send) για αντιμετώπιση της καθυστέρησης λόγω ύπνου

MAC πρωτόκολλα – SMAC variations DMAC: Προσαρμογή της listen περιόδου όταν έχει πολλά πακέτα να στείλει Ενημερώνει τους γείτονες – παραλήπτες να προσαρμόσουν κι αυτοί το πρόγραμμα τους Όχι χρήση RTS/CTS Πρόβλεψη για λήψη δεδομένων από τα παιδιά ενός κόμβου (Data prediction) Πακέτο ελέγχου MTS (More to Send) το οποίο στέλνουν τα παιδιά στον πατέρα για να προσαρμόσει το πρόγραμμα του

MAC πρωτόκολλα – SMAC variations Προσαρμόζεται στις συνθήκες ανταγωνισμού και φορτίου του δικτύου Με λίγο φορτίο συμπεριφέρεται σαν CSMA Με έντονο φορτίο συμπεριφέρεται ως TDMA Κάθε κόμβος αποφασίζει τα slots καθώς και το μέγεθος του frame Χρήση επιπλέον πακέτων ελέγχου (όχι RTS/CTS) όπως ECN (Explicit Contention Notification) Για να προσδιορίσει ένας κόμβος το φορτίο του

MAC πρωτόκολλα – TDMA based Τα πρωτόκολλα αυτά ακολουθούν την λογική των χρονοσχισμών (timeslots) Κάθε κόμβος μεταδίδει στο δικό του slot Λύνουν το πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού χωρίς χρήση πακέτων ελέγχου (πχ RTS/CTS) Μειονεκτήματα Απαιτούν αυστηρό συγχρονισμό Δύσκολο να βρεθεί ένα conflict-free πρόγραμμα (ιδιαίτερα αν επιθυμούμε επαναχρησιμοποίηση του καναλιού – NP hard) Δεν είναι εύκολα επεκτάσιμα

MAC πρωτόκολλα – Spatial TDMA and CSMA Χρήση 2 ξεχωριστών καναλιών Χρήση TDMA για μετάδοση της κανονικής κίνησης Χρήση CSMA (μικρής κατανάλωσης ενέργειας - preamble) για την μετάδοση κίνησης σηματοδοσίας (πακέτα ελέγχου)

MAC πρωτόκολλα – TRAMA O χρόνος χωρίζεται σε “Scheduled Access” και “Random Access” Random Access: για σηματοδοσία Scheduled Access: για κανονική κίνηση

MAC πρωτόκολλα – TRAMA Οι κόμβοι αποκτούν γνώση για όλους τους γείτονες τους μέχρι 2 βήματα μακρυά Αυτή η πληροφορία ανταλλάσσεται κατά την σηματοδοσία που είναι contention based Κάθε κόμβος ανακοινώνει τις χρονοσχισμές στις οποίες θα μεταδώσει καθώς και τους παραλήπτες Όταν ένας κόμβος δεν μεταδίδει ή δεν λαμβάνει, τότε κοιμάται

Energy Savings with Topology Control (TC) Two major ways to do TC: Controlling the power at the node to create energy effective topologies Taking advantage of the network density for turning off the radio interface “Node sleep” saves a lot Only a (connected) fraction of the nodes stays up for performing network functions Another idea: backbone formation can also be used for the sake of topology control (only backbone nodes are awake, or better, nodes have different duty cycles depending on whether they belong to the backbone or are ordinary nodes)

Using a backbone to save energy In this example, all nodes are within coverage of the four black nodes Same is true for the four red nodes We can let the red and black sets of nodes take turns Lifetime is doubled Very simple idea More functionality is needed

Energy Conservation Strategy Observe: Most of the time, the network is only monitoring, waiting for an event to happen New strategy: put nodes to sleep and only wake them up when they need to participate in data forwarding Nodes have their radio in sleep mode to conserve energy Nodes turn on their radio, when they need to communicate

Βιβλιογραφία W. Ye, J. Heidemann, D. Estrin, “Medium Access Control With Coordinated Adaptive Sleeping for Wireless Sensor Networks”, IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol: 12, Issue: 3, pp:493 - 506, June 2004 A. El-Hoiydi, “Spatial TDMA and CSMA with preamble sampling for low power ad hoc wireless sensor networks”, Proc. ISCC 2002, 7th International Symposium on Computers and Communications, pp:685 - 692, 1-4 July 2002. V. Rajendran, K. Obraczka, J.J. Garcia-Luna-Aceves, “Energy-Efficient, Collision-Free Medium Access Control for Wireless Sensor Networks”, Proc. ACM SenSys 03, pp:181 - 192, Los Angeles, California, 5-7 November 2003 G. Lu, B. Krishnamachari, C.S. Raghavendra, “An adaptive energy efficient and low-latency MAC for data gathering in wireless sensor networks”, Proc. of 18th International Parallel and Distributed Processing Symposium, pp: 224, 26-30 April 2004. T. van Dam and K. Langendoen, “An adaptive energy-efficient Mac protocol for wireless sensor networks,” in Proc. ACM SenSys, New York, 2003, pp. 171–180. Rhee, I., Warrier, A., Aia, M., Min, J.: Z-MAC: A Hybrid MAC for Wireless Sensor Networks. In: Proc. of the ACM SenSys Conf., San Diego, CA (2005) 90–101