Protocolos de enrutamiento con servicios de localización

SIMULACIÓN DE PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO
PARA REDES MÓVILES AD-HOC MEDIANTE
HERRRAMIENTA DE SIMULACIÓN NS-3
Protocolos de enrutamiento con servicios de
localización
Outline
1. Introducción
2. Sistemas de localización
3. Servicios de localización
4. Protocolos de enrutamiento
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Conceptos generales
¿Qué es un sistema/servicio de localización?
Sistema de localización proporciona la posición geográfica,
más o menos exacta, de una entidad móvil.
• Posición que se ofrece al propio dispositivo móvil
• Evento que se transmite a un servidor remoto de forma
transparente
Un servicio de localización es una base de datos con
información de posición de los nodos.
El objetivo de un servicio de localización es el mapeo
dinámico de la dirección lógica de un nodo con su posición
física en la red.
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Conceptos generales
¿Qué es un servicio de localización?
Las dos operaciones básicas asociadas a un servicio de
localización son:
• Actualización de la posición
El nodo móvil debe ir informando de su posición.
• La consulta de la posición de un nodo
o Si un emisor necesita localizar a un nodo dentro de la red.
o
Es un servicio que proporciona el nivel de red.
o
Routing, forwarding and localization
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Conceptos generales
Ejemplo de Servicio de localización en redes con infraestructura
En redes móviles con infraestructura como GSM la posición
de un nodo queda almacenada en el Home Location
Register/Visitor Location Register.
HLR/VLR son servidores centralizados.
Position LookUp N
N
(x,y)
M
Position Update (N, (x,y))
N is at (x,y)
Location Service
(Base de Datos)
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Conceptos generales
Ejemplo de Servicio de localización en redes ad hoc
En una red ad hoc los nodos deben implementar este
servicio por ellos mismos.
Servidor de localización está distribuido entre los nodos.
• Alguno o todos los nodos mantienen la información de la
posición.
• Los nodos pueden tener una copia de toda o parte de la base
de datos.
N
M
(x,y)
Position LookUp N
Position Update (N, (x,y))
N is at (x,y)
Location Servers
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Sistemas de localización
Sistemas de localización
Sistema de localización: Principios básicos
Clasificación de los sistemas de localización:
• Sistemas de localización para exteriores
• Sistemas de localización para interiores
Sistema de localización se basan en el tratamiento de
señales:
• Retardos de propagación y desfase de señales
• Potencia de señal recibida
Receptores:
• Cada vez más pequeños y baratos.
• Precisión receptor satélite (20m) y telefonía (100m).
Tecnologías:
• Tecnologías inalámbricas estándar:
o
o
Móviles, satélites
WirelessLAN, Bluetooth, RFID (Radio-frequency
identification),NFC (Near field communication)
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GPS
Sistema de localización para exteriores: GPS I
Global Positioning System (GPS)
•
•
•
•
•
Sistema compuesto por 26 satélites.
Ofrece información de localización, velocidad y hora.
Basado en el concepto de triangulación
Cobertura global y gran precisión (<m)
Controlados por la fuerza Aérea EEUU
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GPS
Sistema de localización para exteriores: GPS II
Determining Position
A GPS receiver "knows" the location of the
satellites, because that information is
included in satellite transmissions. By
estimating how far away a satellite is, the
receiver also "knows" it is located
somewhere on the surface of an imaginary
sphere centered at the satellite. It then
determines the sizes of several spheres, one
for each satellite. The receiver is located
where these spheres intersect.
http://www.nasm.si.edu/gps/work.html
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Galileo
Sistema de localización para exteriores: Galileo
Galileo
• Propuesta europea de posicionacimiento global por satélite
• 30 satélite
• Vocación comercial:
Servicio gratuito de posición (error < 5 metros)
o Servicios de pago de mayor precisión
• Compatibilidad GPS y Galileo
o Pendientes de acuerdo
• Se espera poner en marcha en 2014
o
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Servicio LCS
Sistema de localización de exteriores de telefonía móvil
Servicio LCS (Location Service)
• Define la funcionalidad, interfaces y mensajes necesarios para
localizar terminales en una red de telefonía móvil (GSM, UMTS,
etc).
Categorías LCS:
• LCS Comercial
Proporciona servicios de valor añadido a los usuarios.
• LCS Interno
o Utilizados por la propia operadora de acceso. Medidas de
tráfico, información de cobertura, servicios suplementarios
• LCS de Emergencia
o Permiten dar asistencia a llamadas de emergencia.
Obligatorio en algunos países. Ofrecen la posición del
llamante a los servicios que responden a la llamada.
• LCS Legal
o Utilizados para combatir delitos.
o
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Servicio LCS
Mecanismos de posicionamiento para LCS
Algunas técnicas de localización:
•
•
•
•
•
Identificación de la célula (Cell ID)
Cell ID + Timing Advanced (TA)
Cell ID + Timing of Arrival (TOA)
Enhanced Observer Time Difference (E-OTD)
Angle Of Arrival (AOA)
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Servicio LCS
Cell ID (Identificación de la célula )
Método muy sencillo
La posición del terminal, MS, se estima a partir de la
identificación de la estación base.
La exactitud de la estimación depende del area de
covertura de la célula.
• Femtocell: pocos metros
• Urbano: 500m-2km
• Rural: hasta 30km
Diámetro de la celda:
- 50 m (indoor picocell)
- 30 km (rural macrocell)
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Servicio LCS
Cell ID + TA (Timing Advanced )
Utilizado en GSM, GPRS
• TA se calcula en la estación base y se envía al MS para la
sincronización en un sistema TDMA.
En UMTS se consiguen medidas del RTT (Round Trip Time)
con exactitud mayores de 36m
El RTT o TA se utiliza para calcular la distancia entre la
estación base y el MS.
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Servicio LCS
Cell ID + TOA (Timing of Arrival )
Varias estaciones base miden el TOA de una señal enviada
desde el MS.
• El retardo de transmisión se resuelve tomando
diferencias de tiempo.
• La diferencia entre dos TOA define una hiperbola.
• Tres TOA definen una localización 2D.
?
trama
r1
TOA1
TOA2
?
TOA3
TDOA21=TOA2-TOA1=(r2-r1)/c
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r2
trama
TOA3=?+ D3/c
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Servicio LCS
E-OTD Enhanced Observer Time Difference (OTDOA UMTS)
Método parecido anterior, pero ahora las medidas las
realiza el propio terminal móvil
Se calcula la posición a partir del tiempo de llegada de una
señal enviada por varias estaciones base.
• El MS compara el tiempo de llegada de las señales y
estima su distancia a cada BS. Calcula su posición final
por medio de triangulación.
Se necesita modificar el software de los MS GSM.
Los terminales UMTS ya están actualizados.
trama
El MS mide diferencias de tiempo
entre estaciones base.
Si la red no está perfectamente
sincronizada, el MS tiene que
conocer las diferencias en el tiempo
entre las estaciones base
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trama
trama
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Servicio LCS
E-OTD Enhanced Observer Time Difference (OTDOA UMTS)
Se introduce un nuevo dispositivo, el LMU (Location
Measurement Unit) tiene un reloj GPS con el que puede
medir los tiempos de transmisión de cada estación base de
forma precisa.
• EL LMU informa a las BSs de la diferencias de sincronización.
• La red envía información adicional al MS para que pueda
obtener la posición mediante triangulación (TDOA).
LMU
Información
adicional
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Servicio LCS
AOA (Angle of Arrival )
El ángulo de llegada de las señales desde el MS a diferentes
BS.
La posición se calcula basado en el AOA en diferentes BS y
el centro de localización, LMU, calcula la posición.
NodeB with directional
antenna
trama
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Ejemplos de aplicación para sistemas de localización para
exteriores
PET TRACKING PACK
Casio Satellite Navi GPS watch
Localizador para personas con Alzhéimer
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Sistemas de localización en interiores
Sistemas de localización para interiores I
Triangulación de radiofrecuencia
• Se miden las distancias a varios puntos a partir de las señales
recibidas y la intersección determina la posición.
• Se suele utilizar la potencia de la señal recibida.
o A menor potencia, más lejano se encuentra el objeto que
emitió la señal.
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Sistemas de localización en interiores
Sistemas de localización para interiores II
Vector de potencias (distancia mínima)
• Conocer la situación de los APs
• Fase de entrenamiento: almacenamiento de las señales
obtenidas de los distintos APs por el usuario en diferentes
puntos.
• Estimación de la posición a partir de los niveles más cercanos
al vector de señales.
V1=(P11, P12 ,P13)
Vm=(Pm1, Pm2 ,Pm3)V4=(P41, P42 ,P43)
V2=(P21, P22 ,P23)
V3=(P31, P32 ,P33)
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Sistemas de localización en interiores
Sistemas de localización para interiores III
Balizas de infrarrojos y radiofrecuencia
• La localización depende de la asociación de objetos con zonas
o balizas (fingerprint).
• Se basa en la recolección de información del entorno “a priori”.
Esta información es clasificada y almacenada en una base de
datos.
• El móvil mide la “huella” y la envía al centro de localización
donde se debe encontrar la mejor asociación de esta “huella”
con una localización.
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Ejemplos
Ejemplos de sistemas de localización
EKAHAU
• http://www.ekahau.com/
• RSS de los APs
• Wi-Fi tags
AeroScout
•
•
•
•
http://www.aeroscout.com/
http://www.aeroscout.com/solutions
Wi-Fi y RFID
Utilizan el método de tiempo de llegada o de potencia de señal
recibida para determinar la posición del móvil o de la etiqueta
RFID o WiFi.
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Ekahau Real Time Location System (RTL)
Wi-Fi Based Asset Management and People Tracking Solution
For Hospitals and Other Enterprises
Small, battery-powered Wi-Fi tags are attached to the tracked assets, or are carried by people.
Alternatively, existing Wi-Fi devices like phones, tablets or laptops can be tracked.
Ekahau RTLS processes the locations, rules, messages, and environmental data - and turns this
information into maps, alerts, and reports.
The system also allows you to monitor environmental conditions wirelessly, such as temperature
and humidity.
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Ekahau Real Time Location System (RTLS)
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Servicios de localización
•DREAM
•Virtual Home
•Grid-like structure
Servicio de localización
Servicios de Localización reactivos
Una solución simple para la localización de los nodos
consiste en la inundación de los mensajes de solicitud de
localización a través de la red.
• Solución no escalable
• Para redes pequeñas.
Mejora: Controlar el área de inundación
• Incrementar gradualmente hasta que el nodo es localizado el
número de saltos involucrados en la propagación de la
inundación.
Inundación es un servicio de localización reactivo.
• No se mantiene información
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Servicios de localización
Servicios de Localización proactivos
Dividen su funcionamiento en dos fases:
• Construyen y mantienen estructuras de datos que almacenan la
información de posición de cada nodo.
• Solicitan información a estas estructuras.
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DREAM
Distance Routing Effect Algorithm for Mobility (DREAM)
DREAM servicio de localización proactivo.
Todos los nodos mantienen información de localización de todos
los otros nodos.
Cada nodo utiliza la técnica de inundación para transmitir su
localización.
Para reducir el overhead el nodo puede controlar la frecuencia de
los mensajes de actualización y el número de hops a los cuales
se entregan esos mensajes.
• Los nodos más cercanos se actualizan más frecuentemente.
o
La exactitud de la posición de un nodo decrece con la distancia del nodo.
• El campo time-to-live se utiliza para controlar que lejos se propaga
el mensaje
• Efecto de la distancia: “Cuanto mayor es la distancia que separa a
dos nodos, más despacio parece que se mueven uno con respecto a
otro”
o
Por lo tanto la falta de exactitud con la distancia se ecualiza.
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Virtual Home
Virtual Home
Servicios de localización que seleccionan un nodo de una
subred de nodos para almacenar la posición.
• La función del home location server está distribuido en varios
nodos de la red ad hoc.
• A cada nodo se le asocia un virtual home donde se almacena
su posición.
• La asociación entre el nodo y su virtual home se realiza a
través de una función hash que se aplica a su identificador de
nodo.
• La solicitud de posición de un nodo es dirigida a su virtual
home donde la información está almacenada.
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Grid-like structure
Grid-like structure I
Subconjunto de nodos actúan como servidores de
localización
Se asume una estructura cuadriculada que se superpone en
la red ad hoc.
• Todos los nodos conocen a priori esta estructura.
La cuadrícula se organiza en una jerarquía de cuadrados
que simplifican la actualización y la consulta.
• La jerarquía de la cuadrícula y el identificador del nodo definen
•
•
•
•
para cada nodo móvil su conjunto de servidores.
Un nodo desconoce sus servidores, pero el protocolo define un
procedimiento distribuido y independiente para reconocerlos.
El nodo solamente envía su posición hacia los nodos de la
cuadrícula.
Cada nodo en la cuadrícula, encuentra el servidor para ese
nodo.
Se utiliza el mismo procedimiento para resolver las consultas.
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Grid-like structure II
Localization server:
the least ID greater than B
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Grid-like structure III
How does A find the location of B?
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Protocolos de enrutamiento
• LAR
• DREAM
• GEDIR
Protocolos de enrutamiento con servicios de localización
Para enviar los paquetes se necesita la posición de los
nodos.
• sistemas de localización: GPS u otros mecanismos.
Los paquetes de datos y control se envían hacía la zona
geográfica donde se sabe que está el nodo destino.
Se adaptan rápido a los cambios de topología
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LAR
Location-Aided Routing (LAR)
LAR 1998.
Exploits location information to limit scope of route
request flood
• Location information may be obtained using GPS
Expected Zone is determined as a region that is expected
to hold the current location of the destination
• Expected region determined based on potentially old location
information, and knowledge of the destination’s speed
Route requests limited to a Request Zone that contains the
Expected Zone and location of the sender node
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LAR
Expected Zone in LAR
X = last known location of node
D, at time t0
Y = location of node D at current
time t1, unknown to node S
r = (t1 - t0) * estimate of D’s
speed
r
X
Y
Expected Zone
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LAR
Request Zone in LAR
Network Space
Request Zone
r
B
A
X
Y
S
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LAR
LAR (Location Aided Routing )
Only nodes within the request zone forward route requests
• Node A does not forward RREQ, but node B does.
Request zone explicitly specified in the route request
Each node must know its physical location to determine
whether it is within the request zone
If route discovery using the smaller request zone fails to
find a route, the sender initiates another route discovery
(after a timeout) using a larger request zone
• the larger request zone may be the entire network
Rest of route discovery protocol similar to DSR
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LAR
Advantatges and disadvantages (LAR)
Advantages
• reduces the scope of route request flood
• reduces overhead of route discovery
Disadvantages
• Nodes need to know their physical locations
• Does not take into account possible existence of obstructions
for radio transmissions
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DREAM
Distance Routing Effect Algorithm for Mobility (DREAM) I
Uses location and speed information (like LAR)
Utiliza el servicio de localización DREAM:
• Todos los nodos almacenan la información de todos los nodos.
• Nodes periodically broadcast their physical location
• Nearby nodes are updated more frequently, far away nodes
less frequently
DREAM uses flooding of data packets as the routing
mechanism (unlike LAR)
• DREAM uses location information to limit the flood of data
packets to a small region
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DREAM
Distance Routing Effect Algorithm for Mobility (DREAM) II
Expected zone
Node A, on receiving the
data packet, forwards it to
its neighbors within the
cone rooted at node A
D
A
S
S sends data packet to all neighbors
in the cone rooted at node S
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GEDIR
Geographic Distance Routing (GEDIR) I
Location of the destination node is assumed known
Each node knows location of its neighbors
Each node forwards a packet to its neighbor closest to the
destination
Route taken from S to D shown below
H
A
S
D
B
E
F
C
G
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obstruction
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GEDIR
Geographic Distance Routing (GEDIR) II
The algorithm terminates when same edge traversed twice
consecutively
Algorithm fails to route from S to E
• Node G is the neighbor of C who is closest from destination E,
but C does not have a route to E
H
A
S
D
B
E
F
C
G
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obstruction
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GEDIR
Routing with Guaranteed Delivery
Improves on GEDIR
Guarantees delivery (using location information) provided
that a path exists from source to destination
Routes around obstacles if necessary
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Referencias
References
S. Basagni, I. Chlamtac, V. Syrotiuk, B. Woodward, “A
distance routing effect algorithm for mobility (DREAM)”,
MOBICOM, 98.
J. Li, J. Jannotti, D. De Couto et al, “A scalable location
service for geographic ad hoc routing”, MOBICOM 2000.
Young-Bae Ko and Nitin H. Vaidya, “Location-Aided Routing
(LAR) in mobile ad hoc networks,” Wireless Networks, Vol.6,
2000.
Xu Lin , Ivan Stojmenovic ,”GPS based distributed routing
algorithms for wireless networks”, Unpublished manuscript,
2000.
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