energy efficient distributed localization in sensor networks
DESCRIPTION
Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks. Dominik Lieckfeldt Institut für Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik Universität Rostock, 18119 Rostock, Deutschland Email: [email protected]. Einleitung Selbstorganisation Drahtlose Sensornetzwerke - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Energy Efficient Distributed Localization in Sensor
Networks
Dominik LieckfeldtInstitut für Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik
Universität Rostock, 18119 Rostock, DeutschlandEmail: [email protected]
Übersicht
2Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"
1. Einleitung Selbstorganisation Drahtlose Sensornetzwerke
2. Positionsbestimmung in Sensornetzwerken Effizienz der Positionsbestimmung Ansätze zur Steigerung der Effizienz
3. Ein Auswahlverfahren zur Selektion günstiger Referenzknoten
4. Zusammenfassung
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
AstronomieAstronomie
BiologieBiologie
Selbstorganisation
„… das spontane Entstehen neuer Strukturen in dynamischen Systemen, das auf das kooperative Wirken
von Teilsystemen zurückgeht. “ *
Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks" 3
ChemieChemie
Anwendung auf technische ProblemstellungenAnwendung auf technische Problemstellungen
• Drahtlose Netzwerke
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
Drahtlose Sensornetzwerke
• Definition: Netz aus kleinsten Knoten Zufällige Positionierung Drahtlose Kommunikation Erfassung von Umwelt-
parametern
• Eigenschaften: Ressourcenarm Fehleranfällig
• Anwendungsbereiche:
Analyse, Beobachtung, Überwachung4Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
Positionsbestimmung in Sensornetzwerken
• Warum? Zuordnung Ort <-> Datum
• Problem: Knoten zufällig verteilt GPS nicht auf jedem Knoten möglich
• Lösung: Wenige Knoten mit GPS -> Referenzen Restliche Knoten -> Unbekannte
Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks" 5
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
Verbessern der Effizienz der Positionsbestimmung
6Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"
Kompromiss
Einbeziehen von Kontextinformation
Einbeziehen von Kontextinformation
Ressourcen-verbrauch
Ressourcen-verbrauch
Genauigkeit der DistanzmessungGenauigkeit der Distanzmessung
Effizienz der Positionsbestimmung
Effizienz der Positionsbestimmung
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
• Steigerung der Effizienz der Lokalisierung durch: Auswahl der am besten geeigneten Knoten!
Distributed Beacon Selection1
Fehlerquellen
Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks" 7
Fehler Systematisch Zufällig
Funk Abschattung, Orientierung Antenne
Rauschen, Fading (Interferenz)
Hardware Toleranzen Rauschen
Umgebung Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Lage der Knoten (Geometrie ) -
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
• Schätztheorie Bewertung von Schätzverfahren auf Basis
der Varianz des Schätzwertes Fundamentale Grenze für die Varianz
durch Cramer und Rao gefunden -> Cramer-Rao-Grenze (CRG)
• Hier: Nutzung als Auswahlkriterium
8Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"
Auswahlkriterium
Var
ianz
genauer
genauer
CRG
Benötige 3 Referenzpunkte für
Positionsbestimmung
Benötige 3 Referenzpunkte für
Positionsbestimmung??
CRGCRG
CRG schematisch
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
Ungleichung von Cramér und Rao
• Liefert untere Schranke für Varianz eines Schätzers
• CRG für Positionsbestimmung basierend auf: Time-of-Arrival (ToA) oder Signalstärke
(RSS) Distanzmessung gefunden durch Patwari et al.2
• Für RSS:
Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks" 9
22
1
2 1
2
2,1
2,1
,,1
2
2,1
rss )~()~(E1
yyxx
dd
dd
d
bCRG
N
i
N
ij ji
jiji
N
ij
2
rss
p
10ln
10
n
b
… Ausbreitungskoeffizient… Standardabweichung RSS… Wahrer Parameterwert… Geschätzter
Parameterwert
pn
rssxx~
23
4
12,1d
3,1d
4,1d
I
XTEXT
2
Var
XT
Distanzen
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
• Beispiel: 2 Referenzen, 1 Unbekannter
10
0 0.1 0.2 0.3 0.41
10
100
Distanz/ [rad]
CR
G n
orm
iert
geradlinigkreisförmig
Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"
Referenz Unbekannter
Einfluss der Geometrie auf die CRG
Lineare Bewegung
kreisförmige Bewegung
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
Das verteilte Auswahlverfahren
11Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"
• Phase I: Unbekannter sendet
Anfrage Referenzen berechnen
Antwortwahrscheinlich-keit
TDMA: Referenz i antwortet mit Wahrscheinlichkeit
Nach erster Antwort:– Nutze CRG um kollineare
Referenzen zu vermeiden
iPant 2
tx
,1ant 1
d
dP ii
iPant
Benötige 5 Referenzpunkte für
Positionsbestimmung
Benötige 5 Referenzpunkte für
Positionsbestimmung
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
Das verteilte Auswahlverfahren
Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks" 12
• Phase II: Neuberechnung von
basierend auf Verringerung der CRG
Referenz i antwortet mit Wahrscheinlichkeit
Endbedingung: erforderliche Anzahl an Referenzen hat geantwortet
iPant
iRCRG
RCRGiRCRGPi
antrss
antrssantrssant
)(
iPant
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
4 6 8 10 121
2
4
8
16
32
64
#Knoten in Auswahl
Po
sit
ion
sfe
hle
r (n
orm
iert
)
Distanz-basiertCRG-basiert
13Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"
SimulationsergebnisseReferenz
Unbekannter
Distanzbasiert
CRG-basiert
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks" 14
SelbstorganisationSelbstorganisation
Effizienz der PositionsbestimmungEffizienz der Positionsbestimmung
Positions-bestimmungPositions-bestimmung
Drahtlose SensornetzwerkeDrahtlose Sensornetzwerke
Auswahl von ReferenzenAuswahl von Referenzen
Genauigkeit Limitierte Ressourcen
Steigerung der Effizienz
CRGCRG
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
Literatur
15Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"
1 Lieckfeldt, D.; You, J.; Timmermann, D.: “An Algorithm for Distributed Beacon Selection”, 4th IEEE Intern. Workshop PerSeNS, März 2008
2 Patwari, N.; O. Hero III, A.; Perkins, M.; Correal, N. & O'Dea, R.: “Relative location estimation in wireless sensor networks“, IEEE TSP, 2003
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
Fragen?
- Danke für Ihre Aufmerksamkeit -
Dipl.-Ing. Dominik LieckfeldtInstitut für Angewandte Mikroelektronik und DatentechnikUniversität Rostock, 18119 Rostock, DeutschlandEmail: [email protected]
Zusammenfassung
• Die Position der Knoten eines Sensornetzwerks wird für die sinnvolle Auswertung der Sensordaten benötigt.
• Die Positionsbestimmung der Knoten wird durch limitierte Ressourcen, wie Energiekapazität und Bandbreite, erschwert.
• Für die Bewertung der Leistungsfähigkeit von Verfahren zur Positionsbestimmung eignet sich die Effizienz, die mit dem Energie-Fehler-Produkt
Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks" 17
Einleitung > Positionsbestimmung > Auswahlverfahren > Zusammenfassung
Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks" 18
Drahtlose Sensornetzwerke
Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks" 19
WSN vs. GSM et al.
WSN GSM, WLAN, UMTS
Kommunikation Drahtlos Drahtlos
Infrastruktur Ad hoc Basisstation, Router
Geräte Kleine Sensor-Aktuator Geräte Laptop, Handy, PDA
Konzept
• Netzwerk als Ganzes soll Funktion erfüllen
• Geräte werden bedient durch Nutzer
• Geräte arbeiten autark • Jeder Netzwerkteil-nehmer ist wichtig
• Dezentral • Infrastruktur (teilweise) vorhanden
Unknown Reference Beacon/Reference Tx range
Baseline Algorithm for Localization
20Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"
1. Phase Refinement
Localization in WSN > Distributed Beacon Selection > Conclusion
Beacon Selection: CRLB explained
21
CRLBCRLB
Error model of RSS
measurements
Error model of RSS
measurements
Number of beacons
Number of beacons GeometryGeometry
Lower bound on variance of
position error
Lower bound on variance of
position errorRSS [dBm]
Pro
ba
bili
ty
Motivation > SotA > Beacon Selection > Conclusion
Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"
-5 0 2.5-2.5 5 x
Cramer-Rao-Lower-Bound
-5 0 2.5-2.5 5 x
-5 0 2.5-2.5 5
0
0.2
0.4
x
Pro
bab
ilit
y
• Beispiel 1 Dimension Wahre Position: x=0 Fehlerhafte Positionsschätzungen PDF der Positionsschätzungen Standardabweichung -> intuitives Maß um Fehler zu
charakterisieren
22
22rss )ˆ()ˆ(E yyxxCRLB
2
Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"
Unknown Reference Beacon/Reference Tx range
Baseline Algorithm for Localization
23Rostocker Assistenztage 2008 - "Energy Efficient Distributed Localization in Sensor Networks"
1. Phase Refinement
23
4
12,1d
3,1d
4,1d
24,1
241
241
23,1
231
231
22,1
221
221
)()(
)()(
)()(
dyyxx
dyyxx
dyyxx
y
x
),( 11 yx
Localization in WSN > Distributed Beacon Selection > Conclusion