Trådløse sensor nettverk IFI,

Niels Aakvaag ABB Corporate Research Trådløse sensor nettverk IFI, 01.03.2006 ABB Corporate Research - 1

Plan ABB Corporate Research - 2 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

ABB investerer årlig USD 930M i R&D Order-related development Product development 317 518 ABB Corporate Research - 3 Research 95

Global Labs and Locations 6 Sites in Europe Oslo Vaasa Västerås 2 Sites in USA Wickliffe Raleigh Ladenburg Baden-Dättwil Krakow Bangalore Beijing/ Shanghai 2 Sites in Asia ABB Corporate Research - 4 Automation Technologies CH, SE, US W, DE, NO, IN Power Technologies CH, SE, US R, PL, FI, (CN)

Wireless Sensor Networks (WSN) - hva er nytt? ABB Corporate Research - 6 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

Muligheter i åpen sløyfe Applikasjonsområder i industriell automasjon: Tilstandsovervåking. Detektere slitasje på utstyr Holde styr på inventar Benchmarking Fieldbus Control room Andre områder: Sensor Sensor Sensor Monitorering av miljø Forsvar Bygningsautomasjon ABB Corporate Research - 7 Generelle krav: Korte pakker Lav gjennomsnittlig datarate Lite effekt (batteridrift) Removable Sensor Sensor Fieldbus Removable Sensor Off-line processing and optimisation Sensor Control room

Utfordringer i åpen sløyfe Dette er mulig! Lage tidsstempling og store-and-forward Produkter er allerede tilgjengelig/underveis Honeywell Emerson Accutech ABB? Non real-time Non real-time Processing of off-line wireless sensor data ABB Corporate Research - 8 Control system Actuation Wired sensor output Plant Sensors Wireless sensor output

Muligheter i lukket sløyfe Applikasjonsområder: Metall Papir Olje og gass Petrokjemisk (temp, trykk, nivå, ) Generelle krav: ABB Corporate Research - 9 Korte pakker Lav gjennomsnittlig datarate Lite effekt Kort latenstid Garanti for at pakke kommer frem Control System Wireless Actuation Wireless Sensing Plant Sensors

Utfordringer i lukket sløyfe Mye mer komplekst Energisensitivitet Adaptiv effektstyring (Stanford) Cluster head management Hot-spots og tømming av sentrale noder ABB Corporate Research - 10 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

Plan ABB Corporate Research - 11 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

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 ABB Corporate Research - 12 Mains powered node Battery powered node

Effektforbruk Applikasjon: Mange noder sender data til sentral GW Har IKKE backbone med nettstrøm Løsning (halvgod) Sleep Timing Data Sleep Timing ABB Corporate Research - 13 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

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 ABB Corporate Research - 14 Potensielle løsninger Timing på egen signaleringskanal (non-compliant) Estimere stakk delay som i SNTP

Nodetetthet Redusert kapasitet i store nettverk ABB Corporate Research - 15 Fundamentalt problem I tillegg: ( ) T = O 1 n Tilgjengelig kapasitet reduseres lineært med duty cycle

Nodetetthet ABB Corporate Research - 16 Throughput, bps/node 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 20 40 60 80 100 120 140 Antall noder Bekrefter teori om sensitivitet til nodetetthet Ved øket last går mest kapasitet til kollisjoner og route repair Simulert AODV med NS2 Noder plassert i 100 x 100m Pakkefeilrate på 2% Dekning 40m En enkel GW Statisk nett

Latenstid kun MAC delay + duty cycle Definisjon: Tid fra EVENT på node til pakke ankommet SINK Duty cycle: T Periode ON P TON Hopp: N Antall Sannsynlighet for riktig pakke hopp i p i, OK ABB Corporate Research - 17 Forutsetter: samme backoff tid ingen delay i stakk forøvrig Forventet latens: dersom: T BO N 1 p T BO i=1 i, OK E T p { latens} = + T BO T ON 2 N 1 p i= 1 i, OK

Latenstid Simulert latens gjennom multihop nettverk Samme parametre som for nodetetthet 50 45 Latens (ms) 40 35 30 25 ABB Corporate Research - 18 20 15 10 5 0 20 40 60 80 100 120 140 Antall noder

Bluetooth ABB Corporate Research - 20 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

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 ABB Corporate Research - 21 Tre typer eneheter PAN coordinator. Starter nettverk på ledig frekvens. Har nettstrøm Ruter. Kan rute pakker for andre Endenode. Ruter ikke for andre. Sover mesteparten av tiden for å spare strøm

ZigBee topolgier Stjerne: sentral koordinator for all trafikk Tre: multihop i hierarkisk struktur Mesh: struktur-løs (figur fra www.zigbee.org) ABB Corporate Research - 22

ZigBee PHY ABB Corporate Research - 23 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

ZigBee MAC Beaconed Aktiv / Inaktiv periode Slottet CSMA/CA Non-beaconed Unslottet CSMA/CA ABB Corporate Research - 24

ZigBee MAC Bruker IKKE RTS/CTS for collision avoidance Enklere enn 802.11 MAC Reduserer båndbreddebehov Øker sannsynlighet for kollisjon (hidden terminal problem) ABB Corporate Research - 25 Håndterer punkt-til-punkt sikkerhet. Tre modi: Ikke sikker Access Control List 128 AES (Advanced Encryption Standard)

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 hierarkisk Peer-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-topeer, ellers hierarkisk ABB Corporate Research - 26 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

ZigBee NTW AODV. Adhoc On Demand Vector routing ABB Corporate Research - 27 Har 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 discovery Kildenode 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) Symmetrisk Samme rute tilbake, enkelt Ikke garantert optimalt Asymmetrisk Søker rute tilbake også, mer komplisert Bedre ruter

ZigBee NTW Eksempel på etablering av symmetrisk rute RREQ(src, dest, ID) er en broadcast melding!! Ruter 3 Ruter 1 Destinasjon ABB Corporate Research - 28 Kilde Ruter 2

Interferens og statiske fades (1) ZigBee har valgt statisk kanal Enkel infrastruktur Lav effekt på endenoder Forutsetter batteridrift av ruternoder ABB Corporate Research - 29 Interfererende kilder i 2.4GHz WLAN Bluetooth Annen lisensfri transmisjon DECT (i USA)

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 ABB Corporate Research - 30 Problem: muligheter for at transmisjon blir blokkert

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 ABB Corporate Research - 31 For closed loop kontroll trenger vi: Kollisjonsfrie transmisjoner Frekvenshopp

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 ABB Corporate Research - 32 Har 95% av markedet for intelligente instrumenter Profibus 2.5% Foundation Fieldbus 2.5% Alle de største produsentene av instrumenter er med

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 ABB Corporate Research - 33 Potensielle problemer Trenger sentral kontroller. Den kommer til å bli dyr! Må definere profiler

HART (3) Mulige bidradgsytere Dust networks Corolis Sensicast Alle har Frekvenshopp Multihopp Lavt effektforbruk ABB Corporate Research - 34 Skiller ved Data rate Topologi

WISA Krav: 64 sensorer per basestasjon Max 5ms latenstid Ingen batteri Pålitelighet tilsvarende trådbunden ABB Corporate Research - 35 Løsning: PHY basert på Bluetooth Eget (ABB) MAC lag Indusert power Korte pakker TDMA Innovation Gold Award Wall Street Journal 2002

CSMA/CA MAC lag forskning Backoff strategier. Flat pdf er ikke alltid optimalt Beaconing strategier i 802.15.4. Variasjoner rundt RTS/CTS og hidden terminal problem ABB Corporate Research - 37 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

Nettverk ABB Corporate Research - 38 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

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 ABB Corporate Research - 39 http://scholar.google.no/ søk etter Wireless Sensor Network 2005: 10.000 hit 2006: 30.000 hit

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 ABB Corporate Research - 41 En node er gateway til OPC server/client for integrasjon i ABB kontrollsystem Sleep Timing Data Sleep Timing

Resultater Boliden Dekning mer enn 50m, selv uten LOS Effektforbruk ~3mW Gjennomsnitt 30 sek latens ABB Corporate Research - 42 Våken 3 sekunder per minutt 1.5 sekund for å synkronisere nettverk 1.5 sekund for utveksle data

Resultater Boliden Ikke-stasjonær karakteristikk Latenstid er tidsvarierende Kjenner igjen Gaussisk pdf Støtter multihop 100 Moving Average of Node2 Time Offset 7000 Histogram of Node2 Time Offset 90 80 6000 70 5000 Time Offset [ms] 60 50 40 Frequency 4000 3000 ABB Corporate Research - 43 30 20 10 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Sample Number x 10 4 2000 1000 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Time Offset [ms]

ZigBee for felt instrumenter - 2004 Teknologievaluering Demonstrere wireless aksess til felt instument over 802.15.4 Kabelerstatter ABB Corporate Research - 44

Effektforbruk Current Tper I idle = 26μA Ipeak Tpeak T per = 15. 0s T peak = 32ms I peak = 29mA Iidle time ABB Corporate Research - 45 P avg Tpeak Tper T peak = 3.3V * I peak + I idle = Tper T per 289μW

Trådløs for felt instrumenter 2005 Prototype av kommunikasjonskort Seriell kontakt Radio Mikro kontroller Trådløst instrument Blir neppe produkt Effekt Begrenset effekt tilgjengelig over seriell kontakt Reset dersom trekker for mye Latens Prototype med satisk effekt håndtering ABB Corporate Research - 46 Design forslag for dynamisk Kommunikasjon med PDA Fast kanal Point-to-point nettverk PCB antenne Effekt styring

Studentprosjekter NTNU 2006: Evaluering av Dust networks TDMA multihopp Ønsker å sammenligne med ZigBee ABB Corporate Research - 47 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?...