Implementación y Evaluación del algoritmo de sincronización RBS para redes inalámbricas de sensores

Transcripción

1 PROYECTO DE TESIS DE MAESTRÍA EN INGENÍERIA DE TELECOMUNICACIONES Implementación y Evaluación del algoritmo de sincronización RBS para redes inalámbricas de sensores Alumno: Seyed Mohammad Pakdaman Tutor: Dr. Ing. Ariel Lutenberg

2 Introducción General

3 Que es una red inalámbrica de sensores? Una red inalámbrica de sensores, o Wireless Sensor Network (WSN), se compone de un gran número de nodos de sensores conectados de forma inalámbrica, con capacidades de computación y comunicación provistos de sensores para medir diferentes variables de ambiente en el que se encuentran.

4 Limitaciones de los nodos sensores Capacidad de procesamiento Energía disponible Costo Tamaño

5 Aplicaciones de redes inalámbricas de nodos sensores: Salud Ambiente Militar Domótica

6 Estándar de comunicaciones IEEE para las redes inalámbricas de sensores

7 Estándar de comunicaciones IEEE para las redes inalámbricas de sensores

8 Sincronización de reloj en las redes inalámbricas de sensores

9 Función de reloj Función de Reloj ideal (t es el tiempo de referencia) C(t) = t En caso que tengamos dos nodos sensores 1 y 2, la relación entre los dos relojes es de la siguiente forma: C 1 (t) = α 12 + β 12 C 2 (t Donde α 12 es el offset relativo y β 12 es el skew relativo de los dos relojes Nodo 1 esta perfectamente sincronizado con el nodo 2 cuando: α 12 = 0 y β 12 = 0

10 Necesidad de sincronizacion Fusión de datos Tareas de coordinación Esquemas de encriptación

11 Sincronización de reloj Las principales funciones de la sincronización de tiempo en una red distribuida, como WSN, son: Asegurar una escala de tiempo común para todos los nodos de la red. Proporcionar la correcta coordinación temporal entre todos los nodos participantes, en una interacción colaborativa y distribuida con el entorno físico.

12 Protocolos de sincronización de tiempo tradicionales NTP es una arquitectura jerárquica basada en el paradigma clienteservidor que trabaja sobre el protocolo UDP. NTP es ampliamente usado en Internet y ha demostrado ser efectivo y robusto. Las principales ventajas de NTP son su escalabilidad, robusteza la falla, autoconfiguración en redes de gran escala y su implementación difundida.

13 Los protocolos de sincronización de tiempo tradicionales no son aplicables a las redes inalámbricas de sensores Energía disponible Modo de transmisión Topología dinámica

14 Retrasos contribuyentes al error de sincronización Los componentes de retraso en la entrega de mensajes se pueden clasificar de la siguiente manera: Tiempo de envió Tiempo de acceso al canal inalámbrico Tiempo de propagación Tiempo de recepción

15 Protocolos de sincronización para redes inalámbricas de sensores Los algoritmos propuestos varían principalmente en su método de estimación y corrección de errores debido a los retrasos en el proceso de entrega de un mensaje. Tienen características básicas en común: Un protocolo de mensajería simple no orientada a la conexión Un mecanismo para intercambiar la información de reloj entre los nodos Una estrategia para minimizar los efectos no determinísticos de demora en la entrega y procesamiento del mensaje Un algoritmo en el host que se encarga de ajustar los relojes locales de los nodos en base de la información recibida de sus vecinos

16 Métricas para los protocolos de sincronización para redes inalámbricas de sensores Error de fase Error de frecuencia Presupuesto energético Vida útil Disponibilidad Alcance Interno o Externo Tiempos de convergencia

17 Clasificación de protocolos de sincronización de tiempo en las WSNs Maestro-Esclavo vs. Peer-to-Peer Corrección de reloj vs. No corrección de reloj Enfoque de sincronización Transmisor-Receptor Receptor-Receptor Solo Receptor Sincronización por pares vs. Sincronización de toda la red

18 Protocolo de sincronización RBS para las redes inalámbricas de sensores Principio de funcionamiento:

19 Protocolo de sincronización RBS para las redes inalámbricas de sensores RBS directamente remueve del camino crítico a dos fuentes importantes contribuyentes al error: Tiempo de envío Tiempo de demora para acceder al canal inalámbrico compartido

20 Extensión del algoritmo RBS a las redes Multi-cluster

21 Estimación de reloj en RBS Estimación del offset: n: Cantidad de receptores m: Cantidad de paquetes de broadcast recibidos (paquetes de sincronización) Tr,b: El reloj local del nodo r cuando recibió el paquete de sincronización b m i n, j n: Offset[i, j] = 1 m k=1 T j,k T i,k Estimacion del skew Se lleva a cabo una regresión lineal de mínimos cuadrados

22 Implementacion del algoritmo RBS Nodo sensor utilizado en este estudio está compuesto por el microcontrolador LPC1769 y el módulo RF Xbee PRO

23 Implementación del algoritmo RBS

24 Implementación del algoritmo RBS Es necesario que un evento de interés ocurra al mismo tiempo para ambos nodos. Este evento puede ser otro mensaje de broadcast que por ejemplo contenga la palabra Estimar.

25 Implementación del algoritmo RBS Comenzando con 3 paquetes de sincronización por minuto y aumentando los paquetes de sincronización hasta un máximo de 60 paquetes de sincronización por minuto. Para poder comprobar el funcionamiento del algoritmo, los paquetes de estimar se envían cada 250ms por un lapso de 7 minutos.

26 Resultados obtenidos Desfasaje entre el valor estimado del reloj y el valor real en un lapso de 30 segundos enviando 3 paquetes de sincronización por minuto

27 Resultados obtenidos Histograma de distribución de desfasajes entre los valores de reloj estimados y los valores reales (µs), enviando 3 paquetes de sincronización por minuto

28 Resultados obtenidos Desfasaje entre el valor estimado del reloj y el valor real en un lapso de 30 segundos enviando 60 paquetes de sincronización por minuto

29 Resultados obtenidos Histograma de distribución de desfasajes entre los valores de reloj estimados y los valores reales (µs), enviando 60 paquetes de sincronización por minuto

30 Resultados obtenidos

31 Resutlados obtenidos

32 Resutlados obtenidos

33 Comparación con otros trabajos de investigación Elson et al., conducen varias simulaciones con objetivo de evaluar la calidad que se puede conseguir mediante el protocolo de sincronización RBS y su respectivo comportamiento al momento de aumentar la cantidad de paquetes de sincronización.

34 Comparación con otros trabajos de investigación Análisis de dispersión de grupo (máximo error entre los pares) después de sincronización mediante RBS. Cada punto representa el promedio de 1000 simulaciones. Promedio de dispersión de grupo y el desviación estándar para dos receptores (arriba) y para 20 receptores (abajo).

35 Por qué existe una diferencia?

36 Por qué existe una diferencia?

37 Conclusiones Se pueden lograr un alto grado de precisión mediante el uso de RBS. La precisión de sincronización va mejorando a medida que las cantidades de paquetes de sincronización aumentan, sin embargo, tiene un umbral donde la precisión obtenida se mantiene casi constante. Tiempo de recepción y procesamiento por el receptor tiene un fuerte impacto sobre la precisión obtenida mediante el uso de RBS. Tiempo de recepción y procesamiento por el receptor tiene que ser menor de la precisión requerida o en todo caso tiene que ser determinístico para poder lograr mayor grado de precisión mediante el uso de RBS. RBS es muy austero con el uso de la energía en proceso de sincronización, es tolerante a varias fuentes no determinísticas de demora en su proceso de estimación de reloj y no impone una carga excesiva al procesador.

38 Trabajos futuros Disminuir la totalidad de energía consumida en la red en el proceso de sincronización. Implementar el algoritmo RBS sobre otras plataformas de nodos sensores. Continuar la investigación en otras temáticas relacionados con las redes inalámbricas de sensores que necesitan una red sincronizada, tales como encriptación, localización, fusión de datos, etc.

39 PREGUNTAS?

40 Gracias!!!