Meccanismi di Ritrasmissione per Reti di Sensori Università di Ferrara

Meccanismi di Meccanismi di Ritrasmissione per Ritrasmissione per Reti di SensoriReti di Sensori

Università di

Ferrara

Università di Ferrara 2Pattern

OUTLINEOUTLINE

INTRODUZIONEINTRODUZIONE DEFINIZIONE DI 4 METODI DI CONSEGNA DEFINIZIONE DI 4 METODI DI CONSEGNA

DELLE INFORMAZIONI PER RETI WIRELESS DELLE INFORMAZIONI PER RETI WIRELESS DI SENSORIDI SENSORI COMMUNICATION PERFORMANCES CONSUMO ENERGETICO

RISULTATI E CONFRONTIRISULTATI E CONFRONTIAMPS-1 DATA MODELLO PARAMETRICO


Introduzione Introduzione

Aspetto più critico per reti wireless di sensori :

LIMITATO BUDGET ENERGETICO

progettare tutti i livelli della rete al fine di risparmiare energia

In questo lavoro: LINK LAYERLINK LAYER : :

Reti di sensori caratterizzate da:- alta densità di nodi- brevi distanze tra dispositivi vicini (10, 20 m)- bassi data rates- pacchetti di lunghezza corta (100 bits)

vogliamo assicurare comunicazioni affidabili ed energeticamente efficienti.

proposta di 4 metodi di consegna delle informazioni e studio del loro consumo proposta di 4 metodi di consegna delle informazioni e studio del loro consumo

energeticoenergetico


Definizione dei quattro metodiDefinizione dei quattro metodi

d / Hd / H

S Dd d

ARQ fino all’arrivo di un pacchetto corretto a destinazione; ausilio della strategia di FEC.

Alternative considerate: METODO 1)METODO 1)

trasmissione diretta da S a D;ritrax richiesta a D METODO 2)METODO 2)

consegna multihop con nodi intermedi che si comportano da repeater, pacchetto decodificato solo a D; ritrax chieste a S METODO 3)METODO 3)

consegna multihop dove ogni nodo intermedio implementa FEC e arresta un’ulteriore trasmissione di un pacchetto rilevato errato; ritrax chieste alla S METODO 4)METODO 4)

consegna multihop dove ogni nodo intermedio implementa FEC e arresta un’ulteriore trasmissione di un pacchetto rilevato errato; ritrax chieste al nodo precedente


Communication Performance Communication Performance

))1,(()(1 zpbpwzPe

))1

,(()(2HH

zpbdpwzPe

H

HH

zpbpwzPezPe ))]

1,((1[1)()( 43

PePe : probabilità di fallita consegna di un pacchetto a destinazione

Ritrasmissioni

Definiamo la qualità della comunicazione attraverso


Communication Performance Communication Performance

distanze (dN) normalizzate alla distanza d tra S e D

z rapporto segnale rumore a distanza dN unitaria (dividendo equamente la potenza output totale tra i nodi) .

nel metodo 2), un simbolo arriva errato a destinazione se ha subito un numero dispari di errori lungo il cammino :

word error probability con un codice a blocchi (n,k,t) :

1( , ) ( )

2b N NBER P z d Erfc z d

2

22 1 2 1

0

( ) (1 ) ( mod 2)2 1

H

i H i Hbd b b b b

i

HP P P P H P

i

1

( ) (1 )n

i n iw b b b

i t

nP P P P

i


Modello energetico di un nodo sensoreModello energetico di un nodo sensore

Radio Tx

PENCODING

PDECODING

Radio Rx

d

dproc EEEE 0

)(20 amprxelectxeleconstartstart PPTTPE

decencproc EEE

,dE d c d Tb

NoAttTc mampon 1

42

on

nT

bitRate

POINT-TO-POINT COMUNICATION


Energia per consegnare un pacchetto corretto a destinazioneEnergia per consegnare un pacchetto corretto a destinazione

_ _ _ _g i data i overhead NACKs iE E E

_1 0 11

1[ , ]

1data proc dE E E E dPe

_ 2 0 22

1[ , / ]

1data proc dE H E E H E d HPe

_ 3 3 0 33

1( ) [ , / ]

1data proc dE m E E E d HPe

_ 4 0 4

1[ , / ]

1data proc dE H E E E d Hpw

1(1 )hh w wP P P

31

(1 )H

hh

m h P H Pe

i = 1...4


Energia Eg_data Energia Eg_data

Metodi 1), 2) richiedono a S la ritrax di un pacchetto errato, quindi EEg_ig_i (i=1, 2, 3) si può esprimere come:

Fattore mm include la possibilità di fermare il forwarding di un pacchetto trovato errato ad un nodo intermedio

PPhh probabilità di avere un pacchetto errato al salto h

EEg4g4 1/(1-Pw) numero medio di tx per consegnare correttamente un

pacchetto al nodo successivo Ogni tx: termine tra parentesi

Energia per una singola tx a D

Numero medio di tx necessarie per avere un pacchetto corretto a D

1 / (1-Pe)

x


Risultati e confrontiRisultati e confronti

Osserviamo l’andamento energetico dei quattro metodi in due diverse situazioni: specificaspecifica::

sostituendo E0 and Eproc con i valori di un sensore reale, il MIT AMPS-1 prototype, con

BCH (63,39,4). =3.5 E0=9.3·10-5 J Eproc=4.6 ·10-5 J

parametricoparametrico::

per semplificare l’analisi trascuriamo energie relativa all’ Eg=Edata . Questo non cambia il trend e il range dei risultati ottenuti.


Risultati : Risultati : AMPS-1 AMPS-1

Eg in relazione a probabilità di errore Pe

fissata distanza d tra S e D

fissato numero di salti H esistenza di una

Pe ottimalePe ottimale :

Minimo numero di ritrasmissioni per

minimizzare il consumo energetico

PePe ottimaleottimale attorno 1010-2 -2

con i dati AMPS-1



Eg in relazione alla distanza d S-D

fissata Pe = 10-2

fissato H fissato H :all’aumento di d, l’uso del multihopmultihop

diventa necessario e solo a distanze maggiori

diventa utile l’uso del FECFEC ad ogni nodo intermedio

più salti a più salti a disposizionedisposizione :

• H ottimo (HHoptopt)per ogni distanza d, ottima distanza

tra due nodi successivi (ddlink_optlink_opt)

• scegliendo HHoptopt per ogni d, il metodo migliore è

METHOD 2)METHOD 2)



Guadagno tra schema 2) e 3) scegliendo Hopt per ogni distanza d

fissata Pe = 10-2 Scegliendo Hopt per

ogni distanza d, il metodo migliore in

uno scenario multisalto è schema schema 2)2) con un guadagno energetico tra 5% e 5% e

15%15% rispetto a metodo 3), come evidenziato

nel riquadro, posizionato nel range

dove il multihop è preferibile alla

trasmissione diretta.


Risultati : Risultati : Modello Parametrico Modello Parametrico

113 H

113 H

Multihop

FEC ad ogni nodo

Riduzione di ERiduzione di Edd necessaria ad assicurare una data performance Pe ma aumento di aumento di E Eoo e E e Eprocproc

1133 dd EE 1122 dd EE

11012 10 H

x

x1 dB

113 H

approxapprox



TREADE-OFFs : EE00 e E Edd routing diretto o multisalto

EEprocproc e E Edd FEC ad ogni nodo o solo a destinazione

Possiamo sfruttare i fattori 12 and 13 per costruire un modello parametrico, un set di condizioni per scegliere la soluzione un set di condizioni per scegliere la soluzione migliore,migliore, tra le quattro alternative, rispetto ai numerosi parametri coinvolti:

tecnologia hardware ( EE00 , E , Eprocproc )

distanza tra sorgente e destinazione ( dd )

numero di salti ( H H )


Stessa Pe per tutti i metodiStessa Pe per tutti i metodi

metodo 1)metodo 1) è il migliore quando Eg1 < Eg2 and Eg1 < Eg3 .Eg1 < Eg2 and Eg1 < Eg3 .

Queste condizioni sono soddisfatte quando : 1

0

1

0

d

d

proc

E

E

E

E E

12

13

1

1

1

1

H

m

metodo 2)metodo 2) migliore quando:

1

0

1

d

d

proc

E

E

E

E

12

12 13

1

1

1

H

H

metodo 3)metodo 3) migliore quando:

1

0

1

d

proc

d

proc

E

E E

E

E

13

12 13

1

1

1

m

H



DistanzaDistanza alla quale le curve relative all’energia spesa dai vari meccanismi si intersecano, considerando un fissato numero di salti a disposizione:

dd1212 proporzionale al rapporto EE00//11

dd2323 proporzionale al rapporto EEprocproc//11

dipendenza dai parametri HH, 1212 and 1313

11 c

1

012

12 1

( 1)

(1 )

H Ed

1

2312 13 1

( 1)

( )procH E

d



Sostanziale aumento di energia se si utilizza un numero di salti sub-ottimo

interessante studiare quali fattori influenzano HHoptopt, cioè ddlink_optlink_opt:

1

0_

1

( )link opt

Ed f

variando il rapporto E0/E0/11 possiamo ottimizzare le comunicazioni anche tra nodi successivi distanti anche solo 10, 20 metri10, 20 metri

AMPS-1AMPS-1


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