Protocolos de enrutamiento con servicios de localización

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1 SIMULACIÓN DE PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO PARA REDES MÓVILES AD-HOC MEDIANTE HERRRAMIENTA DE SIMULACIÓN NS-3 Protocolos de enrutamiento con servicios de localización Outline 1. Introducción 2. Sistemas de localización 3. Servicios de localización 4. Protocolos de enrutamiento 2

2 Qué es un sistema/servicio de localización? Conceptos generales Sistema de localización proporciona la posición geográfica, más o menos exacta, de una entidad móvil. Posición que se ofrece al propio dispositivo móvil Evento que se transmite a un servidor remoto de forma transparente Un servicio de localización es una base de datos con información de posición de los nodos. El objetivo de un servicio de localización es el mapeo dinámico de la dirección lógica de un nodo con su posición física en la red. 3 Qué es un servicio de localización? Conceptos generales Las dos operaciones básicas asociadas a un servicio de localización son: Actualización de la posición o El nodo móvil debe ir informando de su posición. La consulta de la posición de un nodo o Si un emisor necesita localizar a un nodo dentro de la red. Es un servicio que proporciona el nivel de red. o Routing, forwarding and localization 4

3 Conceptos generales Ejemplo de Servicio de localización en redes con infraestructura En redes móviles con infraestructura como GSM la posición de un nodo queda almacenada en el Home Location Register/Visitor Location Register. HLR/VLR son servidores centralizados. N (x,y) Position Update (N, (x,y)) Position LookUp N M N is at (x,y) Location Service (Base de Datos) 5 Ejemplo de Servicio de localización en redes ad hoc En una red ad hoc los nodos deben implementar este servicio por ellos mismos. Servidor de localización está distribuido entre los nodos. Alguno o todos los nodos mantienen la información de la posición. Los nodos pueden tener una copia de toda o parte de la base de datos. N (x,y) Position Update (N, (x,y)) Position LookUp N M Conceptos generales N is at (x,y) Location Servers 6

4 Sistemas de localización Sistema de localización: Principios básicos Sistemas de localización Clasificación de los sistemas de localización: Sistemas de localización para exteriores Sistemas de localización para interiores Sistema de localización se basan en el tratamiento de señales: Retardos de propagación y desfase de señales Potencia de señal recibida Receptores: Cada vez más pequeños y baratos. Precisión receptor satélite (20m) y telefonía (100m). Tecnologías: Tecnologías inalámbricas estándar: o Móviles, satélites o WirelessLAN, Bluetooth, RFID (Radio-frequency identification),nfc (Near field communication) 8

5 Sistema de localización para exteriores: GPS I GPS Global Positioning System (GPS) Sistema compuesto por 26 satélites. Ofrece información de localización, velocidad y hora. Basado en el concepto de triangulación Cobertura global y gran precisión (<m) Controlados por la fuerza Aérea EEUU 9 Sistema de localización para exteriores: GPS II GPS Determining Position A GPS receiver "knows" the location of the satellites, because that information is included in satellite transmissions. By estimating how far away a satellite is, the receiver also "knows" it is located somewhere on the surface of an imaginary sphere centered at the satellite. It then determines the sizes of several spheres, one for each satellite. The receiver is located where these spheres intersect. 10

6 Sistema de localización para exteriores: Galileo Galileo Galileo Propuesta europea de posicionacimiento global por satélite 30 satélite Vocación comercial: o Servicio gratuito de posición (error < 5 metros) o Servicios de pago de mayor precisión Compatibilidad GPS y Galileo o Pendientes de acuerdo Se espera poner en marcha en Sistema de localización de exteriores de telefonía móvil Servicio LCS Servicio LCS (Location Service) Define la funcionalidad, interfaces y mensajes necesarios para localizar terminales en una red de telefonía móvil (GSM, UMTS, etc). Categorías LCS: LCS Comercial o Proporciona servicios de valor añadido a los usuarios. LCS Interno o Utilizados por la propia operadora de acceso. Medidas de tráfico, información de cobertura, servicios suplementarios LCS de Emergencia o Permiten dar asistencia a llamadas de emergencia. Obligatorio en algunos países. Ofrecen la posición del llamante a los servicios que responden a la llamada. LCS Legal o Utilizados para combatir delitos. 12

7 Mecanismos de posicionamiento para LCS Servicio LCS Algunas técnicas de localización: Identificación de la célula (Cell ID) Cell ID + Timing Advanced (TA) Cell ID + Timing of Arrival (TOA) Enhanced Observer Time Difference (E-OTD) Angle Of Arrival (AOA) 13 Cell ID (Identificación de la célula) Servicio LCS Método muy sencillo La posición del terminal, MS, se estima a partir de la identificación de la estación base. La exactitud de la estimación depende del area de covertura de la célula. Femtocell: pocos metros Urbano: 500m-2km Rural: hasta 30km Diámetro de la celda: - 50 m (indoor picocell) - 30 km (rural macrocell) 14

8 Cell ID + TA (Timing Advanced ) Servicio LCS Utilizado en GSM, GPRS TA se calcula en la estación base y se envía al MS para la sincronización en un sistema TDMA. En UMTS se consiguen medidas del RTT (Round Trip Time) con exactitud mayores de 36m El RTT o TA se utiliza para calcular la distancia entre la estación base y el MS. 15 Cell ID + TOA (Timing of Arrival ) Servicio LCS Varias estaciones base miden el TOA de una señal enviada desde el MS. El retardo de transmisión se resuelve tomando diferencias de tiempo. La diferencia entre dos TOA define una hiperbola. Tres TOA definen una localización 2D.? trama TOA 1 r2 r1 TOA 2 TOA 3 TDOA 21 =TOA 2 -TOA 1 =(r2-r1)/c? trama TOA 3 =?+ D 3 /c 16

9 E-OTD Enhanced Observer Time Difference (OTDOA UMTS) Servicio LCS Método parecido anterior, pero ahora las medidas las realiza el propio terminal móvil Se calcula la posición a partir del tiempo de llegada de una señal enviada por varias estaciones base. El MS compara el tiempo de llegada de las señales y estima su distancia a cada BS. Calcula su posición final por medio de triangulación. Se necesita modificar el software de los MS GSM. Los terminales UMTS ya están actualizados. trama El MS mide diferencias de tiempo entre estaciones base. Si la red no está perfectamente sincronizada, el MS tiene que conocer las diferencias en el tiempo entre las estaciones base trama trama 17 E-OTD Enhanced Observer Time Difference (OTDOA UMTS) Servicio LCS Se introduce un nuevo dispositivo, el LMU (Location Measurement Unit) tiene un reloj GPS con el que puede medir los tiempos de transmisión de cada estación base de forma precisa. EL LMU informa a las BSs de la diferencias de sincronización. La red envía información adicional al MS para que pueda obtener la posición mediante triangulación (TDOA). LMU Información adicional 18

10 AOA (Angle of Arrival ) Servicio LCS El ángulo de llegada de las señales desde el MS a diferentes BS. La posición se calcula basado en el AOA en diferentes BS y el centro de localización, LMU, calcula la posición. NodeB with directional antenna trama 19 Ejemplos de aplicación para sistemas de localización para exteriores Casio Satellite Navi GPS watch PET TRACKING PACK Localizador para personas con Alzhéimer 20

11 Sistemas de localización para interiores I Sistemas de localización en interiores Triangulación de radiofrecuencia Se miden las distancias a varios puntos a partir de las señales recibidas y la intersección determina la posición. Se suele utilizar la potencia de la señal recibida. o A menor potencia, más lejano se encuentra el objeto que emitió la señal. 21 Sistemas de localización para interiores II Sistemas de localización en interiores Vector de potencias (distancia mínima) Conocer la situación de los APs Fase de entrenamiento: almacenamiento de las señales obtenidas de los distintos APs por el usuario en diferentes puntos. Estimación de la posición a partir de los niveles más cercanos al vector de señales. V 1 =(P 11, P 12,P 13 ) V 2 =(P 21, P 22,P 23 ) V m =(P m1, P m2,p m3 ) V 4 =(P 41, P 42,P 43 ) V 3 =(P 31, P 32,P 33 ) 22

12 Sistemas de localización para interiores III Sistemas de localización en interiores Balizas de infrarrojos y radiofrecuencia La localización depende de la asociación de objetos con zonas o balizas (fingerprint). Se basa en la recolección de información del entorno a priori. Esta información es clasificada y almacenada en una base de datos. El móvil mide la huella y la envía al centro de localización donde se debe encontrar la mejor asociación de esta huella con una localización. 23 Ejemplos de sistemas de localización Ejemplos EKAHAU RSS de los APs Wi-Fi tags AeroScout Wi-Fi y RFID Utilizan el método de tiempo de llegada o de potencia de señal recibida para determinar la posición del móvil o de la etiqueta RFID o WiFi. 24

13 Ekahau Real Time Location System (RTL) Wi-Fi Based Asset Management and People Tracking Solution For Hospitals and Other Enterprises Small, battery-powered Wi-Fi tags are attached to the tracked assets, or are carried by people. Alternatively, existing Wi-Fi devices like phones, tablets or laptops can be tracked. Ekahau RTLS processes the locations, rules, messages, and environmental data - and turns this information into maps, alerts, and reports. The system also allows you to monitor environmental conditions wirelessly, such as temperature and humidity. 25 Ekahau Real Time Location System (RTLS) 26

14 Servicios de localización DREAM Virtual Home Grid-like structure Servicios de Localización reactivos Servicio de localización Una solución simple para la localización de los nodos consiste en la inundación de los mensajes de solicitud de localización a través de la red. Solución no escalable Para redes pequeñas. Mejora: Controlar el área de inundación Incrementar gradualmente hasta que el nodo es localizado el número de saltos involucrados en la propagación de la inundación. Inundación es un servicio de localización reactivo. No se mantiene información 28

15 Servicios de Localización proactivos Servicios de localización Dividen su funcionamiento en dos fases: Construyen y mantienen estructuras de datos que almacenan la información de posición de cada nodo. Solicitan información a estas estructuras. 29 Distance Routing Effect Algorithm for Mobility (DREAM) DREAM DREAM servicio de localización proactivo. Todos los nodos mantienen información de localización de todos los otros nodos. Cada nodo utiliza la técnica de inundación para transmitir su localización. Para reducir el overhead el nodo puede controlar la frecuencia de los mensajes de actualización y el número de hops a los cuales se entregan esos mensajes. Los nodos más cercanos se actualizan más frecuentemente. o La exactitud de la posición de un nodo decrece con la distancia del nodo. El campo time-to-live se utiliza para controlar que lejos se propaga el mensaje Efecto de la distancia: Cuanto mayor es la distancia que separa a dos nodos, más despacio parece que se mueven uno con respecto a otro o Por lo tanto la falta de exactitud con la distancia se ecualiza. 30

16 Virtual Home Virtual Home Servicios de localización que seleccionan un nodo de una subred de nodos para almacenar la posición. La función del home location server está distribuido en varios nodos de la red ad hoc. A cada nodo se le asocia un virtual home donde se almacena su posición. La asociación entre el nodo y su virtual home se realiza a través de una función hash que se aplica a su identificador de nodo. La solicitud de posición de un nodo es dirigida a su virtual home donde la información está almacenada. 31 Grid-like structure I Grid-like structure Subconjunto de nodos actúan como servidores de localización Se asume una estructura cuadriculada que se superpone en la red ad hoc. Todos los nodos conocen a priori esta estructura. La cuadrícula se organiza en una jerarquía de cuadrados que simplifican la actualización y la consulta. La jerarquía de la cuadrícula y el identificador del nodo definen para cada nodo móvil su conjunto de servidores. Un nodo desconoce sus servidores, pero el protocolo define un procedimiento distribuido y independiente para reconocerlos. El nodo solamente envía su posición hacia los nodos de la cuadrícula. Cada nodo en la cuadrícula, encuentra el servidor para ese nodo. Se utiliza el mismo procedimiento para resolver las consultas. 32

17 Grid-like structure II Localization server: the least ID greater than B 33 Grid-like structure III How does A find the location of B? 34

18 Protocolos de enrutamiento LAR DREAM GEDIR Protocolos de enrutamiento con servicios de localización Para enviar los paquetes se necesita la posición de los nodos. sistemas de localización: GPS u otros mecanismos. Los paquetes de datos y control se envían hacía la zona geográfica donde se sabe que está el nodo destino. Se adaptan rápido a los cambios de topología 36

19 Location-Aided Routing (LAR) LAR LAR Exploits location information to limit scope of route request flood Location information may be obtained using GPS Expected Zone is determined as a region that is expected to hold the current location of the destination Expected region determined based on potentially old location information, and knowledge of the destination s speed Route requests limited to a Request Zone that contains the Expected Zone and location of the sender node 37 Expected Zone in LAR LAR X = last known location of node D, at time t0 Y = location of node D at current time t1, unknown to node S r = (t1 - t0) * estimate of D s speed r X Y Expected Zone 38

20 Request Zone in LAR LAR Network Space Request Zone A B r X Y S 39 LAR (Location Aided Routing ) LAR Only nodes within the request zone forward route requests Node A does not forward RREQ, but node B does. Request zone explicitly specified in the route request Each node must know its physical location to determine whether it is within the request zone If route discovery using the smaller request zone fails to find a route, the sender initiates another route discovery (after a timeout) using a larger request zone the larger request zone may be the entire network Rest of route discovery protocol similar to DSR 40

21 Advantatges and disadvantages (LAR) LAR Advantages reduces the scope of route request flood reduces overhead of route discovery Disadvantages Nodes need to know their physical locations Does not take into account possible existence of obstructions for radio transmissions 41 Distance Routing Effect Algorithm for Mobility (DREAM) I DREAM Uses location and speed information (like LAR) Utiliza el servicio de localización DREAM: Todos los nodos almacenan la información de todos los nodos. Nodes periodically broadcast their physical location Nearby nodes are updated more frequently, far away nodes less frequently DREAM uses flooding of data packets as the routing mechanism (unlike LAR) DREAM uses location information to limit the flood of data packets to a small region 42

22 Distance Routing Effect Algorithm for Mobility (DREAM) II Expected zone DREAM Node A, on receiving the data packet, forwards it to its neighbors within the cone rooted at node A D A S S sends data packet to all neighbors in the cone rooted at node S 43 Geographic Distance Routing (GEDIR) I GEDIR Location of the destination node is assumed known Each node knows location of its neighbors Each node forwards a packet to its neighbor closest to the destination Route taken from S to D shown below A H D S B C E F G obstruction 44

23 Geographic Distance Routing (GEDIR) II GEDIR The algorithm terminates when same edge traversed twice consecutively Algorithm fails to route from S to E Node G is the neighbor of C who is closest from destination E, but C does not have a route to E A H D S B C E F G obstruction 45 Routing with Guaranteed Delivery GEDIR Improves on GEDIR Guarantees delivery (using location information) provided that a path exists from source to destination Routes around obstacles if necessary 46

24 Referencias References S. Basagni, I. Chlamtac, V. Syrotiuk, B. Woodward, A distance routing effect algorithm for mobility (DREAM), MOBICOM, 98. J. Li, J. Jannotti, D. De Couto et al, A scalable location service for geographic ad hoc routing, MOBICOM Young-Bae Ko and Nitin H. Vaidya, Location-Aided Routing (LAR) in mobile ad hoc networks, Wireless Networks, Vol.6, Xu Lin, Ivan Stojmenovic, GPS based distributed routing algorithms for wireless networks, Unpublished manuscript,

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