Mit Datenaggregation und Sensorfusion
PD Stefan Bosse
Universität Bremen - FB Mathematik und Informatik
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung -
Um Algorithmen für Sensornetzwerke zu entwickeln und mathematische Korrektheits- und Leistungsnachweise zu liefern, werden Modelle für verschiedene Aspekte von Sensornetzwerken benötigt.
Teil 1: Verbindungsmodelle
Teil 2: Interferenzmodelle
Teil 3: Algorithmen
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Überblick
Wichtige Fragestellungen
Wann sind Sensorknoten logisch benachbart?
Wann sind Sensorknoten räumlich benachbart?
Wann sind Sensorknoten kommunikativ benachbart?
Wann sind Sensorwerte von Sensorknoten physikalisch benachbart (korrliert)?
Was stört und beeinflusst Kommunikation
Welche Algorithmen können in Sensornetzwerken eingesetzt werden (z.B. für Routing)?
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Ziele
Wir wollen wissen
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Überblick
Überblick über die Verbindungs- und Interferenzmodelle die in diesem Modul eingeführt werden
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Sensornetzwerke
Der Hauptzweck der Bereitstellung von Sensornetzwerken ist die Erfassung physikalischer Daten wie Lichtintensität, Schall oder Temperatur.
Um die Daten zu aggregieren (z.B. Berechnung der Mindesttemperatur oder dem Durchschnitt usw.), die an den einzelnen Knoten gespeichert sind - und die somit im Raum verteilt sind - werden Protokolle oder Algorithmen benötigt, die angeben, wie diese Operationen ausgeführt werden.
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Graphen
Graphen und Interferenzmodelle sind Grundlage für die Algorithmen
Referenz (alle Abbildungen, überwiegend alle Modelle) und für die Vertiefung dieses Modules:
S. SCHMID and R. WATTENHOFER, “Modeling Sensor Networks,” in Algorithms and Protocols for Wireless Sensor Networks, Springer, 2008.
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Graphen
Da die Topologie eines Sensornetzwerks als Graph betrachtet werden kann, sind Verteilte Sensornetzwerke mit der Graphentheorie modellierbar, deren Sensorknoten die Graphenknoten und drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen die Kanten darstellen.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil von Sensornetzwerkmodellen ist die Geometrie.
Graphen könenn die Kommunikationsstruktur, aber auch Informationsflüsse oder Energieaustausch modellieren!
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Graphen
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Modellierung der Kommunikation
Wenn ein Knoten u im Empfangsbereich von v ist, dann sind u und v benachbart (angrenzend). Bedeutet dass auch räumliche Nähe? (Beispiel Internet)
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Modellierung der Kommunikation
Die Konnektivität eines Sensornetzwerks wird durch einen Graphen G = (V, E) beschrieben, wobei V (Eckpunkte) die Menge der Sensorknoten und E (Kanten) die Nachbarschaftsbeziehung zwischen Knoten beschreibt.
Das heißt, für zwei Knoten u, v ∈ V,(u, v) ∈ E wenn v ist benachbart zu u.
In einem ungerichteten Graphen gilt, dass wenn (u, v) ∈ E , dann auch (v, u) ∈ E ⇒ Kanten können eher durch Mengen {u, v}∈ E als durch Tupel dargestellt werden.
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Kommunikationsgraph
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Einheitsscheibengraph UDG
Sei V ⊂ ℝ2 eine Menge von Knoten in der zweidimensionalen euklidischen Ebene. Der euklidische Graph G = (V, E) wird als Einheitsscheibengraph bezeichnet, wenn zwei beliebige Knoten genau dann benachbart sind, wenn ihr euklidischer Abstand höchstens 1 beträgt. Die Kanten sind ungerichtet.
Der Einheitskreis entspricht nicht der physikalischen Verbindung (Funkwellen). Warum nicht? Betrachte folgendes Beispiel.
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Einheitsscheibengraph UDG
Das UDG-Modell ist idealistisch: In Wirklichkeit ist Funkkommunikation nicht omnidirektional, und selbst kleine Hindernisse wie Pflanzen können die Konnektivität verändern.
Unit Disk Graph: Knoten u ist benachbart mit Knoten v (Abstand ≤ 1), aber nicht mit Knoten w (Abstand > 1)
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Gerichteter Einheitsscheibengraph DUDG
Der unidirektionale Graph G = (V, E) besteht dann aus gerichteten Kanten {u → v} ∈ E oder (u,v) ∈ E
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Gerichteter Einheitsscheibengraph DUDG
Directed Unit Disk Graph: Knoten u ist benachbart mit Knoten v (Abstand ≤ 1), aber nicht mit Knoten w (Abstand > 1), und nur unidirektionale Verbindung
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Generischer Graph GG
Der Verindungsgraph G ist ungerichtet. Sei V ⊂ ℝk eine Menge von Knoten in einem k-dimensionalen Raum. Jedes Knotenpaar {ni, nj} ∈ E ist möglich mit i,j ∈ {1,2,..,N} und N die Anzahl der Knoten.
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Generischer Graph GG
Während ein UDG zu optimistisch ist, ist das GG oft zu pessimistisch, da die Konnektivität der meisten Netzwerke nicht willkürlich ist, sondern bestimmten geometrischen Einschränkungen unterliegt.
In einigen Anwendungsszenarien kann es jedoch korrekt sein, entweder auf der UDG oder auf der GG zu arbeiten.
In der Tat gibt es Algorithmen, die für die UDG entwickelt wurden und auch in allgemeineren Modellen eine gute Leistung erbringen.
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Verallgemeinerung und Erweiterung
viele der bisher beschriebenen Modelle können weiter verallgemeinert werden.
Zum Beispiel können die UDG- und QUDG-Modelle in drei Dimensionen anstatt in der Ebene erweitert werden
Erweiterung unter Verwendung verschiedener Entfernungsfunktionen (Normen)
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Quasi-Einheitsscheibengraph (QUDG)
Die Knoten befinden sich in ℝ2 an beliebigen Positionen. Alle Knotenpaare mit euklidischem Abstand höchstens ρ für einige gegebene ρ ∈ (0, 1] sind benachbart. Paare mit einem Abstand größer als 1 befinden sich niemals im Übertragungsbereich des anderen. Schließlich können Paare mit einem Abstand zwischen ρ und 1 benachbart sein oder nicht.
Für ρ = 1 ein QUDG ein UDG ist und daher gilt: Ein UDG ist ein Spezialfall eines QUDG.
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Quasi-Einheitsscheibengraph (QUDG)
Quasi Unit disk Graph aus der Perspektive des Knotens u: Der Knoten u grenzt immer an den Knoten v1
(d(u, v1) ≤ ρ), aber niemals an v5 (d(u, v5) > 1). Alle anderen Knoten können sich im Übertragungsbereich von u befinden oder nicht. In diesem Beispiel grenzt der Knoten u an v3 und v4, jedoch nicht an v2
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - QUDG Variationen
Das vorherige QUDG gibt nicht genau an, was passiert, wenn der Abstand zwischen ρ und 1 liegt. Es gibt mehrere Optionen.
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - QUDG Variationen
Während das QUDG für Modellknoten attraktiv sein kann, die in Bereichen mit wenigen Hindernissen eingesetzt werden, ist es für innerstädtische oder gebäudeinterne Netzwerke, in denen viele (dynamische) Hindernisse nicht ignoriert werden können, nicht sinnvoll: Da ein Knoten möglicherweise mit einem anderen Knoten kommunizieren kann, der Dutzende von Metern entfernt ist, aber nicht mit einem dritten Knoten, der gleich um die Ecke liegt, wäre ρ nahe 0.
Obwohl Knoten, die sich in der Nähe, aber auf verschiedenen Seiten einer Wand befinden, möglicherweise nicht kommunizieren können, ist ein Knoten typischerweise stark mit den Knoten verbunden, die sich im selben Raum befinden, und daher sind viele Nachbarn eines Knotens selbst direkte Nachbarn. Mit anderen Worten, selbst in Regionen mit vielen Hindernissen ist die Gesamtzahl der Nachbarn eines Knotens, die nicht benachbart sind, wahrscheinlich klein.
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Begrenzter Unabhängigkeitsgraph (BIG)
Sei Yr(u) die Menge aller unabhängiger Knoten, die höchstens r Sprünge vom Knoten u (d.h. Knoten der r-Nachbarschaft von u) im Konnektivitätsdiagramm G entfernt sind.
Somit wird eine Menge S ⊂ V von Knoten als unabhängig bezeichnet, wenn alle Knoten in der Menge paarweise nicht benachbart sind; das heißt, für alle u, v ∈ S gilt {u, v} ∉ E.
Graphh G hat eine begrenzte Unabhängigkeit genau dann, wenn für alle Knoten u ∈ G, |Y(u)| = O (poly (r)) (typischerweise |Yr(u)| ∈ O(rc) für eine kleine Konstante c ≥ 2).
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Begrenzter Unabhängigkeitsgraph (BIG)
Da die Anzahl der unabhängigen Nachbarn in einer Scheibe mit dem Radius r eines UDG höchstens O(r2) beträgt, haben wir die folgende Feststellung:
Das UDG-Modell ist ein Sonderfall des BIG-Modells. In ähnlicher Weise ist, wenn ρ konstant ist, auch ein QUDG ein BIG. BIG bildet die Realität gut ab!
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Begrenzter Unabhängigkeitsgraph (BIG)
Knoten u und v sind durch eine Wand getrennt. Knoten auf der gleichen Seite der Wand sind vollständig verbunden. Aufgrund der Wand kann u zwar einen entfernten Knoten w erreichen, den nahen Knoten v jedoch nicht hören. Solche Situationen können durch den BIG, aber nicht durch den UDG oder den QUDG modelliert werden.
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Generalisierter (Q)UDG
Eine Erweiterung der UDG- und QUDG-Modelle besteht darin, Knoten in ℝ3 zu berücksichtigen. Außerdem können die Entfernungen zwischen den Knoten unter Verwendung der Manhattannorm (L1-norm) modelliert werden. In der Manhattan-Norm ist der Abstand zwischen zwei Punkten u = (x1 , y1) und v = (x2 , y2) in der Ebene gegeben durch d(u, v) = |x2 − x1| + |y2 − y1|, während in der euklidischen Norm (L2−Norm) der Abstand d(u, v) = √(|x2 − x1|2 + |y2 - y1|2) ist . Alternativ ist auch die Maximalnorm (𝕃∞ norm) beliebt, wobei d(u, v) = max |x2 − x1|, |y2 − y1|.
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Metrische Räume und Einheitskugelräume (UBG)
Ein metrischer Raum definiert Abstände zwischen allen Knotenpaaren und garantiert gleichzeitig Nicht-Negativität, Identität des Ununterscheidbaren, Symmetrie und Dreiecksungleichheit. Eine Verdoppelungsmetrik ist einfach ein metrischer Raum mit einigen zusätzlichen Einschränkungen
(UBG) Für einen Knoten u sei die Kugel Bu(r) die Menge aller Knoten in einem Abstand von höchstens r von u. Es gilt für alle Knoten u und alle r ≥ 0, dass die Kugel Bu(r) von einer konstanten Anzahl von Kugeln mit dem Radius r / 2 überdeckt werden kann; das heißt, Bu(r) ⊆ Ui=1...c Bui(r / 2), wobei ui beliebige Knoten sind und c eine (normalerweise kleine) Konstante ist. Im UBG-Modell wird angenommen, dass Knoten einen Verdopplungsmetrikraum bilden. Zwei Knoten u und v mit d(u, v) ≤ 1 sind benachbart, wohingegen alle anderen Knoten nicht sind.
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Metrische Räume und Einheitskugelräume (UBG)
Dieser Satz zur logischen Identität sagt aus, dass zwei reale Objekte, wenn sie nicht ein und dasselbe sind, sich in mindestens einer beobachtbaren Eigenschaft (Qualität) voneinander unterscheiden müssen.
Es gibt damit keine zwei qualitativ absolut identischen, aber real verschiedenen Dinge in der realen Wirklichkeit. Für eine genauere Darstellung siehe Identität (Logik).
Wikipedia
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Metrische Räume und Einheitskugelräume (UBG)
Die euklidische Ebene bildet eine Verdopplungsmetrik. In diesem Beispiel sind die Knoten in ℝ2 verteilt, und drei Kugeln mit dem Radius r / 2 reichen aus, um alle Knoten in Bu(r) abzudecken; das heißt, Bu(r) = Bu1((r / 2) ∪ Bu2 (r / 2) ∪ Bu3(r / 2).
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Metrische Räume und Einheitskugelräume (UBG)
Um einen metrischen Raum zu bilden, müssen die Abstände zwischen den Knoten die folgenden Eigenschaften erfüllen: (1) Nicht-Negativität, (2) Identität des Ununterscheidbaren, (3) Symmetrie, und (4) Dreiecks-Ungleichung.
Es gilt:
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Stern- und Maschennetzwerke
(Links) GG Maschennetzwerk (Rechts) UDG Sternnetzwerk
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Gitternetzwerke
(Oben) 1D Netzwerk Kette (a) und Ring (b); (Links) 2D Gitternetzwerk mit Nachrichtenvermittlung über Zwischenknoten (Rechts) 3D (Kubus) Gitternetzwerk
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Bussysteme
Bussysteme (Links) Allgemeine Busnetzwerktopologie und Transformation in ein gerichtetes sequenzielles Maschenntzwerk (DGG) (rechts) Mit getrennten Daten- und Steuerungsverbindungen und Vermittler (Arbiter)
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Abdeckungsoptimierung und Probleme
In Sensornetzwerken ist die Frage ob alle Knoten erreichbar sind wichtig für das Systemverhalten des Senornetzwerkes und die Erfüllung der Erfassungsaufgabe.
Die vollständige Kommunikationsabdeckung in mobilen und ad-hoc Netzwerken ist nicht trivial.
Vielfach kann mit der Graphentheorie, probabilistischen Modellen und Verfahren, und geormetrischen Modellen und Überlegungen eine möglichst hohe Wahrscheinlichkiet erreicht werden, das meistens alle Knoten (wenigstens indirekt) erreichbar sind.
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Weitere Modellierungsaspekte
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Weitere Modellierungsaspekte
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Zusammenfassung
Die Topologie eines Sensornetzwerkes kann als Graph systematisch und methodisch modelliert werden
Es gibt unterschiedlichen Graphenmodelle die Nachbarschaft (d.h. Fähigkeit zur Kommunikation) beschreiben
Die Graphen können sowohl statische als auch dynamische (mobile und ad-hoc) Netzwerke beschreiben
Die Abdeckung eines geometrischen Raums mit Sensorknoten und Kommunikationsfähigkeit aller Knoten sind zentrale Fragestellungen
PD Stefan Bosse - DSN - Modul B - Modellierung - Referenzen
[1] S. SCHMID and R. WATTENHOFER, “Modeling Sensor Networks,” in Algorithms and Protocols for Wireless Sensor Networks, Springer, 2008.
[2] S. S. Iyengar and R. R. Brooks, Distributed Sensor Networks - Sensor Networking and Applications. CRC Press, 2013. Sensor model: pp 33 (1.2)