Informatica industriala

1
Informatica industriala

• Retele senzoriale fara fir

2
Retele senzoriale

• Scopul achizitia de informatii dintr-o anumita
  arie geografica cu ajutorul unor senzori
  inteligenti, ieftini si de consum redus
• domenii de interes
• masurarea parametrilor de mediu (presiune,
  umiditate, temperatura), in aer, apa si sol
• monitorizarea unor ecosisteme (paduri, ape,
  vegetatie)
• monitorizarea cladirilor, incinetlor, halelor
  industriale
• aplicatii militare de recunostere, detectia si
  urmarirea tintelor
• monitorizarea traficului terestru, aerian si
  naval
• monitorizarea pacientilor
• 2 aspecte esentiale
• ce se masoara tipuri de senzori
• cum se transmite informatia tipuri de retele cu
  si fara fir

3
Atribute ale retelelor senzoriale

• legate de senzor
• tipul marimii masurate, precizie
• mod de masura activ, pasiv (ex frecventa de
  masurare)
• aranjare fixa (prestabilita), ad-hoc (se
  autoorganizeaza)
• amplasare dinamica fixa, mobila
• mediu de operare cooperant, advers (ex.
  teritoriu inamic)
• legat de comunicare
• comunicatie in retea cu si fara fir
• control centralizat sau distribuit
• latime de banda mare, mica, mai multe canale de
  comunicatie
• legat de consumul de energie
• constrangeri de consum cu si fara constrangeri

4
Evolutia retelelor senzoriale

• primele realizari (in timpul razboiului rece,
  anii 60, 70)
• SOSUS sistem acustic de urmarire a submarinelor
• AWACS sistem radar de urmarire aeriana
• retele senzoriale distribuite (anii 80)
• DARPA sistemul DSN distributed sensor network
• folosea minicalculatoare din clasa PDP 11
• s-au dezvoltat algoritmi de urmarirea tintelor
  (ex elicoptere, pe baza acustica, vehicole,
  etc.)
• retele ad-hoc
• functii de auto-organizare si configurare
• routare dinamica
• functionare intr-un mediu dinamic
• consum redus de putere
• exemple militare
• SensIT, - Sensor Information technology
• TASS Tactical Automated Security System
• realizari actuale
• solutii comerciale Ember Crossbow, sensoria,
  TinyOS, Smart Dust
• solutii pentru aplicatii de zi cu zi
  (non-militare)
• standarde wireless

MEMS
Smart Dust
5
Retele senzoriale in controlul industrial

• avantaje
• nu necesita retea fizica de comunicatie (cablu)
• nu necesita retea de alimentare
• instalare rapida, si flexibila
• mentenanta usoara
• posibilitatea detectarii unor anomalii in zone
  greu accesibile pentru om detectarea unor
  posibile defecte, vibratii
• toleranta la defecte
• cost redus
• dezavantaje
• interferenta cu alte transmisii fara fir se
  folosesc benzi de frecventa publice
• influentat de zgomote electromagnetice

6
Probleme specifice

• Descoperirea retelei ad-hoc
• identificarea in timp-real a nodurilor si
  stabilirea unor trasee de routare
• testarea si reconfigurarea periodica a retelei
• nodurile trebuie sa stabileasca conexiuni cu
  nodurile invecinate
• Controlul retelei si routarea
• resurse limitate la nivelul unui nod
• energie
• putere de calcul
• latime de banda
• se cauta un optim intre puterea de transmisie
  radio, distanta acoperita si redondanta retelei
• algoritmul de routare este adaptat unei anumite
  cerinte de optimalitate (ex energie minima
  consumata, acoperire maxima, toleranta la
  defecte, timp minim de transmisie, sau de
  refacere a retelei in caz de defect)

7
Probleme specifice

• Procesarea colaborativa a semnalelor si a
  informatiilor
• culegerea unui set relevant de informatii de
  teren
• fuziunea informatiilor generate de diversi
  senzori
• proceduri de filtrare, mediere a semnalelor
• aplicatii colaborative de urmarire (tracking)
  (ex tinte, autovehicole, avioane)
• asocierea de informatii la anumote obiecte in
  miscare
• Accesul la date distribuite
• tehnici de interogare si de achizitie a datelor
• achizitii periodice
• achizitii la cerere
• accesul transparent la parametri de proces
  indiferent de adresa fizica a nodurilor
• Securitatea comunicatiei
• lucreaza in mediu ostil
• zgomote diverse, retea nesigura

8
Rezultate recente

• Difuzie directionata
• Urmarire distribuita(tracking)
• Clasificare distribuita

9
Routarea in retelele senzoriale

• caracteristici specifice ale retelelor senzoriale
  (care afecteaza politica de routare)
• numarul mare de senzori nu permite utilizarea
  unei scheme statice de adresare
• utilizarea adresei Ip pentru routare nu este
  fezabila
• nodurile sunt amplasate aleatoriu (fara o regula
  anume)
• este nevoie de tehnici de auto-organizare a
  retelelor formate ad-hoc
• conteaza mai mult datele achizitionate si mai
  putin originea (adresa) lor
• de cele mai multe ori achizitia de date se face
  printr-un punct de acces sau statie de baza
• aceasta statie face legatura dintre reteaua
  senzoriala si un calculator sau o alta retea
  clasica (LAN, WAN)
• schimbul de informatii utile intre noduri este de
  mai mica importanta sau chiar lipseste
• nu se stabilesc rute intre noduri ci intre statia
  de baza si noduri
• exista restrictii severe privind
• consumul de energie (si implicit puterea si
  frecventa de transmisie)
• capacitatea de stocare a nodurilor
• capacitatea de procesare a nodurilor (o stiva de
  protocoale mai complexa ar fi greu de implementat)

10
Routarea in retelele senzoriale

• caracteristici specifice ale retelelor senzoriale
  (care afecteaza politica de routare)
• in cele mai multe cazuri nodurile sunt fixe ca
  pozitie
• diferit de alte retele fara fir precum telefonia
  celulara
• retelele sunt destinate pentru o anumita
  aplicatie
• nu au un caracter general
• locatia nodurilor este importanta pentru a
  stabili de unde provine o anumita informatie
• nu conteaza adresa (ID-ul) nodului dar conteaza
  pozitia
• se poate stabili
• prin configurare initiala
• cu ajutorul unui receptor GPS
• prin triangulare, masurand puterea semnalului
  receptionat de la vecini
• datele culese au o anumita redondanta
  (exploatabila la routare)
• utila in reducerea energiei consumate si pentru
  asigurarea tolerantei la defecte
• nodurile isi pot inceta activitatea in mod subit
• de exemplu datorita terminarii bateriei

11
Routarea in retelele senzoriale

• Politici de routare
• dupa modele clasice de routare folosite in alte
  retele
• avand ca scop agregarea datelor
• care urmaresc procesarea si clasificarea in retea
  (ex urmarirea unei tinte, calculul unui gradient
  de temperatura)
• metode centrate pe date
• in functie de structura retelei
• plat toate nodurile au acelasi rol
• ierarhic nodurile superioare realizeaza
  agregarea datelor
• bazat pe pozitia fizica- directionarea mesajelor
  catre o locatie fizica
• in functie de modul de operare
• cu mai multe cai
• bazat de interogari
• bazat pe negociere
• bazat pe QoS
• bazat de coerenta
• in functie de tactica adoptata pentru gasirea
  caii
• proactiv caile se determina inainte de
  efectuarea transmisiilor de date
• reactiv caile se determina doar la nevoie
• hibrid combinatie a primelor doua

12
Protocoale bazate pe structura retelei

• Routare plata
• toate nodurile au acelasi rol
• transmisie multi-hop
• interogarea se face in functie de
  locatia/regiunea de interes
• exemple
• Sensor Protocols for Information via Negotiation
  (SPIN)
• este o imbunatatire a tehnicii flooding
• informatiile sunt transmise la toate nodurile, ca
  si cum toate ar fi stabii de baza rezulta acces
  rapid la date
• se dau nume simbolice pentru date (meta-date) si
  se negociaza transmisia neredondanta a datelor
• se tine cont de nivelul de energie disponibil
  pentru fiecare nod
• 3 tipuri de mesaje ADV (advertise a data), REQ
  (cerere data), DATA (data propriu-zisa)
• secventa de operatii publicarea unei noi date
  (ADV), cererea datei de un nod invecinat (daca
  este interesat) (REQ), trimiterea datei la nodul
  solicitant (DATA)
• se evita transmisia datelor care nu
  intereseaza/redondante

13
Protocoale bazate pe structura retelei

• Routare plata (cont.)
• Directed Diffusion
• este data-centric si application-aware
• statia de baza transmite (difuzeaza) in retea un
  anumit interes se stabilesc niste gradienti
  care marcheaza nodul invecinat de unde a venit
  interesul
• interesul se exprima printr-o interogare vor fi
  transmise doar datele care satisfac conditia din
  interes

• datele sunt agregate pe parcurs (pe calea de
  transmisie)

14
Protocoale bazate pe structura retelei

• Routare plata (cont.)
• Rumor routing
• varianta de Direct diffusion
• interogarile se transmit numai nodurilor care au
  detectat un anumit tip de eveniment interogarea
  nu se trimite prin flooding ca si in cazul
  anterior nodurile care detecteaza un eveniment
  formeaza un mesaj de tip agent, care este
  transmis in retea nodurile isi noteaza
  evenimentele si nodurile care le-au detectat la
  interogare se contacteaza numai nodurile care au
  indicat evenimentul in cauza
• lucreaza bine pentru un numar mic de evenimente

15
Protocoale bazate pe structura retelei

• Routare plata (cont.)
• Minimum Cost Forwarding Algorithm (MCFA)
• fiecare nod isi noteaza numarul minim de hopuri
  pana la statia de baza
• un nou mesaj se trimite prin broadcast la toti
  vecinii
• la receptie se verifica daca nodul se afla pe
  calea minima daca da atunci transmite mai
  departe, daca nu atunci renunta
• Gradient-Based Routing
• varianta a Direct diffusion la transmiterea
  interesului se noteaza numarul de hopuri
• inaltimea nodului numarul minim de hopuri
  pana la statia de baza
• diferenta dintre inaltimile a doua noduri
  invecinate va da gradientul conexiunii/legaturii
  dintre ele
• informatia se va transmite pe legatura cu
  gradientul cel mai mare
• se mai folosesc tehnici suplimentare de agregare
  a datelor si de balansare a traficului (in cazul
  unor cai multiple)

16
Protocoale bazate pe structura retelei

• Routare plata (cont.)
• COUGAR
• considera reteaua ca fiind o baza de date asupra
  careia se formuleaza interogari
• promoveaza procesarea datelor in retea
• se construireste un nivel intermediar intre
  nivelul aplicatie si nivelul retea, care
  solutioneaza interogarea
• statia de baza genereaza un plan si un flux de
  date care asigura solutionarea interogarii
• Energy Aware Routing
• o varianta de Direct diffusion, in care se mentin
  mai multe canale posibile si se aleg
  probabilistic astfel incat sa se mentina cat mai
  mult reteaua in viata se tine cont de nivelul de
  energie pe fiecare nod
• reduce consumul cu 21,5 si creste durata de
  viata a retelei cu 44

17
Protocoale bazate pe structura retelei

• Routare ierarhica
• routare bazata pe clustere
• util din punct de vedere al
• scalabilitatii,
• eficientei energetice,
• duratei de viata mai mare
• principiu
• noduri cu energie mai mare (capete de cluster)
  preiau traficul de la noduri cu energie mai mica
• routarea vizeaza 2 probleme
• alegerea capetelor de cluster
• routarea mesajelor

18
Protocoale bazate pe structura retelei

• routarea ierarhica
• protocolul LEACH Low energy Adaptive Clustering
  Hierarchy
• se aleg aleatoriu capete de cluster si apoi rolul
  este distribuit prin rotatie celorlalte noduri,
  pentru a asigura consum uniform pe toate nodurile
• nodul capat are rol de compactare si agregare a
  datelor culese din cluster
• pentru evitarea coliziunilor in interiorul si
  exteriorul clusterului se foloseste protocolul
  MAC de tip TDMA/CDMA
• aproximativ 5 din noduri trebuie sa fie
  desemnate catete de cluster
• se preteaza pentru achizitia periodica a datelor
  de la senzori
• 2 faze de lucru
• faza de configurare (setup) se stabilesc
  clusterele si nodurile capat aferente
• faza de functionare stabila cand se transmit
  datele achizitionate
• stabilirea clusterelor si a capetelor
• aleatoriu se desemneaza un numar de capete, la
  care adera celelalte noduri pe baza puterii
  semnalului radio transmis/receptionat capatul
  stabileste o ordine de tip TDMA pentru
  interogarea fiecarui nod din cluster
• mesajele agregate din cluster sunt transmise de
  capete la statia de baza folosind cate un alt cod
  din CDMA
• dupa un anumit timp se aleg alte noduri capat

19
Protocoale bazate pe structura retelei

• routarea ierarhica
• protocolul PEGASIS - Power-Effcient Gathering in
  Sensor Information Systems
• varianta optimizata a protocolului LEACH
• ideea de baza dialogul se face doar cu nodurile
  invecinate, transmiterea datelor la statia de
  baza se face alternativ de fiecare nod, pentru a
  echilibra consumul de energie
• obiectivul extinderea duratei de viata a retelei
  si reducerea latimii de banda necesare (prin
  dialog doar intre vecini)
• nu se formeaza clustere
• un nod isi regleaza puterea de transmisie astfel
  incat sa dialogeze doar cu cel mai apropiat
  vecin se formeaza un lant pana la statia de baza
• PEGASIS creste de 2 ori durata de viata a unei
  retele in comparatie cu LEACH

20
Protocoale bazate pe locatie

• nodurile sunt adresate in functie de locatie
• distanta dintre vecini se poate estima pe baza
  puterii semnalului emis/receptionat
• coordonatele unui nod
• relative fata de vecini
• absolute, pe baza unui sistem de pozitionare (ex
  GPS)
• Protocolul GAF - Geographic Adaptive Fidelity
• protocol bazat pe locatia nodurilor si pe
  cunoasterea energiei
• folosit si in retele ad-hoc
• functionare
• reteaua se divide in zone
• nodurile colaboreaza in interiorul zonelor si isi
  schiba rolurile
• pentru reducerea consumului de energie nodurile
  dintr-o zona sunt puse in starea sleep mai
  putin un nod care este activ
• nodul se alege prin consens
• nodul activ este responsabil pentru transmiterea
  datelor din zona sa

21
Protocoale bazate pe locatie

• Protocolul GEAR - Geographic and Energy Aware
  Routing
• utilizarea informatiei geografice in transmiterea
  unor interogari ce au atribute de localitate
• ideea reducerea numarului de interese din
  directed diffusion prin directionarea catre
  zona de interes
• fiecare nod tine evidenta costului transmiterii
  unui mesaj prin vecini
• costul se compune din distanta pana la destinatie
  si energia reziduala
• exista un cost invatat care se stabileste pas
  cu pas in urma transmiterii de pachete la
  destinatie

22
Protocoale bazate pe locatie

• protocolul SPAN
• se selecteaza noduri coordonator pe baza de
  locatie
• nodurile coordonator formeaza un Backbone
  pentru transmisia informatiilor culese
• un nod devine coordonator daca
• doua noduri vecine nu se pot vedea direct, prin 1
  sau 2 coordonatori