Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-1
Trådløse sensor nettverkIFI, 01.03.2006
Niels Aakvaag
ABB Corporate Research
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-2
Plan
Litt om ABB
Generelt om trådløse sensor nettverk
State-of-the-art
Applikasjoner i prosessindustrien
Kritiske parametre
Effekt, Nodetetthet, Latenstid
Standarder
ZigBee og Bluetooth
HART
Proprietære løsninger
Forskningsinnsats
MAC, NTW og power
Joint optimisation trådløs + kontroll
Prosjekter i ABB
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-3
ABB investerer årlig USD 930M i R&D
95
Order-relateddevelopment
Product development
Research
317
518
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-4
Global Labs and Locations6 Sites
in Europe
2 Sites in USA
Baden-Dättwil
KrakowLadenburg
OsloVästerås
Vaasa
BangaloreRaleigh
Wickliffe 2 Sitesin Asia
Beijing/Shanghai
Automation TechnologiesCH, SE, US W, DE, NO, IN
Power TechnologiesCH, SE, US R, PL, FI, (CN)
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-5
Plan
Litt om ABB
Generelt om trådløse sensor nettverk
State-of-the-art
Applikasjoner i prosessindustrien
Kritiske parametre
Effekt, Nodetetthet, Latenstid
Standarder
ZigBee og Bluetooth
HART
Proprietære løsninger
Forskningsinnsats
MAC, NTW og power
Joint optimisation trådløs + kontroll
Prosjekter i ABB
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-6
Wireless Sensor Networks (WSN) - hva er nytt?
Multihopp
Alle noder kan rute
Trenger ingen fast infrastruktur
Dekning lenger enn et enkelt radio-hopp
Ingen nettverksplanlegging
Rask utrulling av store nettverk
Selvrettende / rekonfigurerende
Tåler å miste enkeltnoder
Nettverk er relativt statisk
Nettverkets levetid viktig parameter
Rettferdighet mindre viktig
Topologien er ofte en logisk stjerne
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-7
Muligheter i åpen sløyfe
Applikasjonsområder i industriell automasjon:
Tilstandsovervåking. Detektere slitasje på utstyr
Holde styr på inventar
Benchmarking
Andre områder:
Monitorering av miljø
Forsvar
Bygningsautomasjon
Generelle krav:
Korte pakker
Lav gjennomsnittlig datarate
Lite effekt (batteridrift)
Control roomFieldbus
SensorSensorSensor
Control roomFieldbus
SensorSensorRemovable
SensorRemovable
Sensor
Off-lineprocessing and
optimisation
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-8
Utfordringer i åpen sløyfe
Dette er mulig!
Lage tidsstempling og store-and-forward
Produkter er allerede tilgjengelig/underveis
Honeywell
Emerson
Accutech
ABB?
Processing ofoff-line wireless
sensor data
Controlsystem
Wired sensor output
Actuation Plant
Sensors
Wireless sensor output
Non real-time
Non real-time
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-9
Muligheter i lukket sløyfe
Applikasjonsområder:
Metall
Papir
Olje og gass
Petrokjemisk
(temp, trykk, nivå,…)
Generelle krav:
Korte pakker
Lav gjennomsnittlig datarate
Lite effekt
Kort latenstid
Garanti for at pakke kommer frem
ControlSystem
Wireless Sensing
Wireless ActuationPlant
Sensors
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-10
Utfordringer i lukket sløyfe
Mye mer komplekst
Energisensitivitet
Adaptiv effektstyring (Stanford)
Cluster head management
Hot-spots og tømming av sentrale noder
Latens “garantier” over multihop nettverk
Interessant arbeid på medium aksess nivå (MAC), f.eks ikke-uniform back-off, skedulert transmisjon, …
Quality of service (QoS) i rutingalgoritmer
Robuste kontrollalgoritmer
Kalman filtrering med manglende data sampler
Cross layer optimalisering
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-11
Plan
Litt om ABB
Generelt om trådløse sensor nettverk
State-of-the-art
Applikasjoner i prosessindustrien
Kritiske parametre
Effekt, Nodetetthet, Latenstid
Standarder
ZigBee, Bluetooth, WLAN
Proprietære løsninger (WISA)
Forskningsinnsats
MAC, NTW og power
Joint optimisation trådløs + kontroll
Prosjekter i ABB
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-12
Effektforbruk
ZigBee-basert node bruker typisk:
30mA i Rx/Tx
30uA i sovemodus
MÅ SOVE MYE MED BATTERI
Multihop med lavt effektforbruk
Må synkronisere duty cycle for lav effekt (kompensere for klokkedrift)
Synkronisering OK i stjernenett
Problem: dårlig støtte for tidssynkronisering i multihop
ZigBee forutsetter backbone med nettstrøm
Mains powerednode
Battery powerednode
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-13
Effektforbruk
Applikasjon:
Mange noder sender data til sentral GW
Har IKKE backbone med nettstrøm
Løsning (halvgod)
GW sender single hop multicast
Alle som mottar resynkroniserer egen klokke
Et antall noder sender videre med tidsstempling
Etter endt synkronisering unicast data tilbake til gateway
SleepSleep Timing Data Timing
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-14
Effektforbruk
Problemer med denne løsningen
Mye effekt går til å spre timing info.
Tap av effekt og båndbredde
Har ikke adgang til link nivå meldinger
Tidsestimater blir unøyaktige fordi timer på applikasjonsnivå
Multicast sendes mange ganger.
Unødig effekt
Flere kollisjoner
Tidsestimat unøyaktig
Potensielle løsninger
Timing på egen signaleringskanal (non-compliant)
Estimere stakk delay som i SNTP
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-15
Nodetetthet
Redusert kapasitet i store nettverk
Fundamentalt problem
I tillegg:
Tilgjengelig kapasitet reduseres lineært med duty cycle
( )nOT 1=
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-16
Nodetetthet
Simulert AODV med NS2
Noder plassert i 100 x 100m
Pakkefeilrate på2%
Dekning 40m
En enkel GW
Statisk nett
Antall noder
Thr
ough
put,
bps/
node
0 20 40 60 80 100 120 1402
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Bekrefter teori om sensitivitet til nodetetthet
Ved øket last går mest kapasitet til kollisjoner og route repair
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-17
Latenstid – kun MAC delay + duty cycle
Definisjon: Tid fra EVENT på node til pakke ankommet SINK
Duty cycle:Periode ON
Hopp:Antall Sannsynlighet for riktig pakke hopp i
Forutsetter:samme backoff tid
ingen delay i stakk forøvrig
Forventet latens:
dersom:
PT ONT
N OKip ,
BOT
{ } ∑=
+=N
i OKiBO
p
pT
TlatensE
1 ,
12
ON
N
i OKiBO T
pT ≤∑
=1 ,
1
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-18
Latenstid
Simulert latens gjennom multihop nettverk
Samme parametre som for nodetetthet
Late
ns (
ms)
Antall noder
0 20 40 60 80 100 120 1405
10
15
20
25
30
35
40
45
50
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-19
Plan
Litt om ABB
Generelt om trådløse sensor nettverk
State-of-the-art
Applikasjoner i prosessindustrien
Kritiske parametre
Effekt, Nodetetthet, Latenstid
Standarder
ZigBee og Bluetooth
HART
Proprietære løsninger
Forskningsinnsats
MAC, NTW og power
Joint optimisation trådløs + kontroll
Prosjekter i ABB
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-20
Bluetooth
Piconett master/slave arkitektur
syv aktive slaver per master
255 sovende noder per master
Støtter scatternets hvor noder tar del i flere piconett
Datarate på luften:
1Mbps i original versjon
3Mbps i enhanced versjon
Støtter tale
Problemer:
Piconet for lite!!!!
Sakte oppvåkning (> to sekunder)
Kompleks stakk (dyre komponenter)
Dyr kvalifisering
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-21
ZigBee oversikt
Sikter mot industrielle anvendelser, PC-utstyr, leker, smarte hjem,…
Lav effekt, lav pris, lav kompleksitet radiospesifikasjon
Ca. 20mA når aktiv, dyp søvn modi tilgjengelig
Implementasjon av stakk på liten 8 bits mikrokontroller
Tre typer eneheterPAN coordinator. Starter nettverk på ledig frekvens. Har nettstrøm
Ruter. Kan rute pakker for andre
Endenode. Ruter ikke for andre. Sover mesteparten av tiden for åspare strøm
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-22
ZigBee topolgier
Stjerne: sentral koordinator for all trafikk
Tre: multihop i hierarkisk struktur
Mesh: struktur-løs (figur fra www.zigbee.org)
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-23
ZigBee PHY
PHYsisk lag definert i tre bånd
868MHz (Europa, Asia) 20kbps (høyere i 802.15.4b)
915MHz (Amerika) 40kbps (høyere i 802.15.4b)
2.4GHz (hele verden)
I 2.4GHz ISM båndet:
250 kbps QPSK modulert (62.5ksps)
Multiplisert med fast spredesekvens for øket robusthet
16 uavhengige kanaler i 2.4GHz, hver ca. 5MHz bred
Pulsform: halv sinus
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-24
ZigBee MAC
Beaconed
Aktiv / Inaktiv periode
Slottet CSMA/CA
Non-beaconed
Unslottet CSMA/CA
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-25
ZigBee MAC
Bruker IKKE RTS/CTS for collision avoidanceEnklere enn 802.11 MAC
Reduserer båndbreddebehov
Øker sannsynlighet for kollisjon (hidden terminal problem)
Håndterer punkt-til-punkt sikkerhet. Tre modi:Ikke sikker
Access Control List
128 AES (Advanced Encryption Standard)
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-26
ZigBee NTW
NTWs primære oppgaver:Opprette nettverk, håndtere til/fra-kobling
Rute pakke gjennom nettverket
Ende-til-ende sikkerhet
ZigBee kan rute peer-to-peer eller hierarkiskPeer-to-peer er basert på AODV (Ad hoc On Demand Vector routing)
Hierarkisk. adressen angir om en destinasjonsadresse er opp eller ned i treet
Dersom en node har tilstrekkelig med ressurser bruker den peer-to-peer, ellers hierarkisk
Skiller rutere i R+ og R-R+ kan rute full mesh. Godt med minne og prosessorkraft
R- ruter kun hierarki. Enkle noder med lite ressurser
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-27
ZigBee NTW
AODV. Adhoc On Demand Vector routingHar kun tabell over:
de den kommuniserer med
der den er ruter
naboer
Sparer KUN på adressen til neste node for gitt endenode
Originalversjon sender regelmessige oppdateringer for å sikre at ruten er operativ (fjernet i ZigBee)
Route discoveryKildenode sender RREQ (Route REQuest)
Alle som tar imot sjekker sine lister og sender eventuelt videre
Endelig mottager kan få flere enn en RREQ. Velger den med lavest kost (antall hop, akkumulert RSSI, etc)
SymmetriskSamme rute tilbake, enkelt
Ikke garantert optimalt
AsymmetriskSøker rute tilbake også, mer komplisert
Bedre ruter
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-28
ZigBee NTW
Eksempel på etablering av symmetrisk rute
RREQ(src, dest, ID) er en broadcast melding!!
Kilde
Ruter 1
Ruter 2
Ruter 3
Destinasjon
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-29
Interferens og statiske fades (1)
ZigBee har valgt statisk kanal
Enkel infrastruktur
Lav effekt på endenoder
Forutsetter batteridrift av ruternoder
Interfererende kilder i 2.4GHz
WLAN
Bluetooth
Annen lisensfri transmisjon
DECT (i USA)
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-30
Interferens og statiske fades (2)
Statiske fades
Kommer av destruktive kombinasjon av multipath
Vil variere veldig sakte
Har båndbredde som tilsvarer flere ZigBee kanaler
ZigBee kan endre kanal, men ikke raskt
Problem: muligheter for at transmisjon blir blokkert
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-31
Konklusjon til ZigBee
Fungerer fint til lav effekt, lav kostnad, open loop systemer med lav tetthet
Ideell for enkle installasjoner
Men vi har tre fundamentale problemer:
Batteridrift i ruternoder synkronisert søvn. Søvn av ruternoder skalerer throughput ned
Kapasitet går ned når det er mange noder. Kommer av CSMA/CA og ruting algoritmen. Kan bare løses ved kollisjonsfri MAC
Statiske fades og interferens. Trenger frekvenshopping
For closed loop kontroll trenger vi:
Kollisjonsfrie transmisjoner
Frekvenshopp
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-32
HART (1)
HART
Highway Addressable Remote Transmitter
Brukt for instrumenter i prosessindustrien
Overlagrer informasjon på 4-20mA sløyfe
Enkel trådbundet grensesnitt på 1200 bps
Standardisert 1980 tallet
Har 95% av markedet for intelligente
instrumenter
Profibus 2.5%
Foundation Fieldbus 2.5%
Alle de største produsentene av instrumenter er med
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-33
HART (2)
Planlegger å ha trådløs standard ferdig i løpet av 2006
Basert på 802.15.4 PHY i første utgave
Eget MAC lag for kollisjonsfri aksess
Frekvenshopp for å unngå interferens og fades
Potensielle problemer
Trenger sentral kontroller. Den kommer til å bli dyr!
Må definere profiler
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-34
HART (3)
Mulige bidradgsytere
Dust networks
Corolis
Sensicast
Alle har
Frekvenshopp
Multihopp
Lavt effektforbruk
Skiller ved
Data rate
Topologi
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-35
WISA
Krav:
64 sensorer per basestasjon
Max 5ms latenstid
Ingen batteri
Pålitelighet tilsvarende tråd-
bunden
Løsning:
PHY basert på Bluetooth
Eget (ABB) MAC lag
Indusert power
Korte pakker
TDMA
Innovation Gold AwardWall Street Journal 2002
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-36
Plan
Litt om ABB
Generelt om trådløse sensor nettverk
State-of-the-art
Applikasjoner i prosessindustrien
Kritiske parametre
Effekt, Nodetetthet, Latenstid
Standarder
ZigBee og Bluetooth
HART
Proprietære løsninger
Forskningsinnsats
MAC, NTW og power
Joint optimisation trådløs + kontroll
Prosjekter i ABB
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-37
MAC lag forskning
CSMA/CABackoff strategier. Flat pdf er ikke alltid optimalt
Beaconing strategier i 802.15.4.
Variasjoner rundt RTS/CTS og hidden terminal problem
WiseMAC, S-MAC og T-MAC, microMAC,...Ønsker: lav latens, høy throughput, lite power
NON-contention
Gode skeduleringsalgoritmer og synkronisert soving
Forutsetter ofte tre-struktur. Vanskelig i full mesh
Trenger god forskning på skedulert MAC med bra nettverkslag
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-38
Nettverk
Hotspot
Noder nær GW må rute for andre og tømmes først
Data fusion
Max levetid (node/nettverk)
Organisere i lokale cluster
Ansvar som cluster head går på rundgang (til den med mest batteri igjen)
Informasjonssamling
Spør etter verdi, ikke node
Nettverket har felles ansvar for å levere riktig data
Ruting
Multipath for øket sikkerhet
Effekt-sensitiv ruting
Effektive tre-strukturer
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-39
Joint optimalisering
Kalman
Optimalisere oppørsel til Kalman filter med manglende observasjoner
Power control
Adaptiv power control
Justere utesendt effekt på bakgrunn av link kvalitet og tilstand til kontrollalgoritmen
Cross layer design
Betrakte flere lag i stakken samtidig
http://scholar.google.no/ søk etter Wireless Sensor Network
2005: 10.000 hit
2006: 30.000 hit
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-40
Plan
Litt om ABB
Generelt om trådløse sensor nettverk
State-of-the-art
Applikasjoner i prosessindustrien
Kritiske parametre
Effekt, Nodetetthet, Latenstid
Standarder
ZigBee og Bluetooth
HART
Proprietære løsninger
Forskningsinnsats
MAC, NTW og power
Joint optimisation trådløs + kontroll
Prosjekter i ABB
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-41
Boliden demonstrator - 2004
ZigBee basert implementasjon, med noder fra Ember
Nettverk synkroniserings algoritme for å redusere effektforbruk
Syv sensorer i prosessen
Simulert data, én pakke/min
SleepSleep Timing Data Timing
En node er gateway til OPC server/client for integrasjon i ABB kontrollsystem
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-42
Resultater Boliden
Dekning mer enn 50m, selv uten LOS
Effektforbruk ~3mW
Gjennomsnitt 30 sek latens
Våken 3 sekunder per minutt
1.5 sekund for å synkronisere nettverk
1.5 sekund for utveksle data
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-43
Resultater Boliden
Ikke-stasjonær karakteristikk
Latenstid er tidsvarierende
Kjenner igjen Gaussisk pdf
Støtter multihop
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
x 104
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Sample Number
Tim
e O
ffse
t [m
s]
Moving Average of Node2 Time Offset
0 50 100 150 200 250 300 350 4000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Time Offset [ms]
Fre
quen
cy
Histogram of Node2 Time Offset
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-44
ZigBee for felt instrumenter - 2004
Teknologievaluering
Demonstrere wireless aksess til felt instument over 802.15.4
Kabelerstatter
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-45
Effektforbruk
time
Current
Ipeak
Iidle
Tper
Tpeak
mAI peak 29=msTpeak 32=
sTper 0.15=
AIidle μ26=
WIT
TTI
TT
VP idleper
peakperpeak
per
peakavg μ289*3.3 =⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+=
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-46
Trådløs for felt instrumenter 2005
Prototype av kommunikasjonskort
Trådløst instrument
Blir neppe produkt
Effekt
Begrenset effekt tilgjengelig over seriell kontakt
Reset dersom trekker for mye
Latens
Prototype med satisk effekt håndtering
Design forslag for dynamisk
Kommunikasjon med PDA
Fast kanal
Point-to-point nettverk
Effekt styringPCBantenne
Seriellkontakt
RadioMikrokontroller
©A
BB
Co
rpo
rate
Re
sea
rch
-47
Studentprosjekter
NTNU 2006: Evaluering av Dust networks
TDMA multihopp
Ønsker å sammenligne med ZigBee
”Hvor-som-helst” 2006/2007:
Adaptiv power control i store nettverk
Høy sendeeffekt kommer langt, men mye interferens
Lav sendeeffekt lite interferens, men må sende pakken flere ganger
Gitt en plassering av noder, hva er optimalt? Genetiske algoritmer? Swarm intelligence?
Finnes det et globalt optimum?
Hva er optimaliseringskriterier?
......