Demo I In class on 10/4 & 10/9. 15 min - - PowerPoint PPT Presentation

Demo ¡I ¡

Ø In ¡class ¡on ¡10/4 ¡& ¡10/9. ¡ Ø 15 ¡min ¡per ¡team. ¡ Ø Must ¡show ¡something ¡real. ¡ Ø Email ¡Mo ¡slides ¡by ¡11am. ¡ ¡

Mul,-­‑Channel ¡Reliability ¡and ¡Spectrum ¡Usage ¡ in ¡Real ¡Homes ¡ ¡

Empirical ¡Studies ¡for ¡Home-­‑Area ¡Sensor ¡Networks

Mo ¡Sha, ¡Gregory ¡Hackmann, ¡Chenyang ¡Lu ¡

Department ¡of ¡Computer ¡Science ¡and ¡Engineering ¡

Outline

Ø IntroducGon ¡ Ø Experimental ¡methodology ¡ Ø Empirical ¡study ¡in ¡homes ¡

q

Spectrum ¡study ¡of ¡exisGng ¡wireless ¡signals ¡

q

802.15.4 ¡link ¡reliability ¡in ¡all ¡16 ¡channels ¡

Ø Conclusion ¡ Ø Related ¡work ¡ ¡

3 ¡

Smart ¡Grid ¡

Ø Enables ¡both ¡wired ¡and ¡wireless ¡communicaGon ¡between ¡ uGlity ¡companies ¡and ¡household ¡devices ¡ Ø Home ¡Area ¡Network ¡

q

Power ¡meters, ¡smart ¡thermostats, ¡home ¡appliances. ¡

4 ¡ 4 ¡

Wireless ¡Sensor ¡Networks ¡

Ø Advantage ¡

q

Do ¡not ¡require ¡wired ¡infrastructure. ¡

q

Easily ¡and ¡inexpensively ¡retrofit ¡exisGng ¡homes. ¡

q

Energy ¡efficiency ¡

Ø Reliability ¡challenges ¡

q

Unpredictable ¡environment ¡

q

Crowded ¡2.4 ¡GHz ¡ISM ¡band ¡

5 ¡

Outline

Ø IntroducGon ¡ Ø Experimental ¡methodology ¡ Ø Empirical ¡study ¡in ¡homes ¡

q

Spectrum ¡study ¡of ¡exis,ng ¡wireless ¡signals ¡

q

802.15.4 ¡link ¡reliability ¡in ¡all ¡16 ¡channels ¡

Ø Conclusion ¡ Ø Related ¡work ¡ ¡

6 ¡

Spectrum ¡Usage ¡Traces ¡

Ø Collected ¡from ¡the ¡2.4 ¡GHz ¡spectrum ¡in ¡six ¡apartments ¡and ¡an ¡office

7 ¡

Methodology

Ø Spectrum ¡usage ¡between ¡2.400 ¡GHz ¡and ¡2.495 ¡GHz ¡ Ø Wi-­‑Spy ¡2.4x ¡spectrum ¡analyzer ¡

q

Sweep ¡across ¡the ¡2.4 ¡GHz ¡spectrum ¡

q

Sampling ¡period: ¡40 ¡ms ¡

q

Signal ¡strength ¡reading ¡on ¡each ¡of ¡254 ¡discrete ¡frequencies ¡

Ø Traces ¡over ¡7 ¡days ¡in ¡6 ¡apartment ¡and ¡Bryan ¡Hall ¡

q

Normal ¡daily ¡acGviGes ¡

q

15,120,000 ¡readings ¡for ¡each ¡of ¡the ¡254 ¡frequencies ¡

q

2.5 ¡GB ¡of ¡data ¡per ¡locaGon ¡

Ø Convert ¡signal ¡strength ¡readings ¡to ¡binary ¡values ¡based ¡on ¡ a ¡threshold ¡

q

0: ¡idle ¡channel ¡

q

1: ¡busy ¡channel ¡

8 ¡

Ques,ons

• 1. Is ¡there ¡a ¡channel ¡free ¡in ¡all ¡apartments? ¡ ¡
• 2. Does ¡spectrum ¡usage ¡change ¡over ¡Gme? ¡ ¡
• 3. Do ¡homes ¡have ¡similar ¡spectrum ¡usage ¡pa`erns ¡as ¡offices? ¡
• 4. Is ¡802.11 ¡the ¡dominant ¡interferer ¡in ¡homes? ¡

9 ¡

Is ¡there ¡a ¡channel ¡free ¡in ¡all ¡homes?

Ø No, ¡due ¡to ¡diverse ¡spectrum ¡usage ¡pa2erns ¡in ¡homes ¡ Channel Occupancy Rate

10 ¡

Does ¡spectrum ¡usage ¡change?

Spectrum ¡occupancy ¡exhibits ¡ considerable ¡variability ¡over ¡ :me.

Daily standard deviation Hourly standard deviation

11 ¡

5-minute standard deviation

Is ¡Wi-­‑Fi ¡the ¡dominant ¡user ¡of ¡the ¡spectrum?

12 ¡

Is ¡Wi-­‑Fi ¡the ¡dominant ¡user ¡of ¡the ¡spectrum?

13 ¡

Is ¡Wi-­‑Fi ¡the ¡dominant ¡user ¡of ¡the ¡spectrum?

Ø While ¡Wi-­‑Fi ¡is ¡a ¡major ¡source ¡of ¡interference, ¡others ¡can ¡ be ¡non-­‑negligible ¡contributors ¡to ¡spectrum ¡occupancy.

14 ¡

Outline

Ø IntroducGon ¡ Ø Experimental ¡methodology ¡ Ø Empirical ¡study ¡in ¡homes ¡

q

Spectrum ¡study ¡of ¡exisGng ¡wireless ¡signals ¡

q

802.15.4 ¡link ¡reliability ¡in ¡all ¡16 ¡channels ¡

Ø Conclusion ¡ Ø Related ¡work ¡ ¡

15 ¡

Methodology

Ø Plaaorm ¡

q

Tmote ¡Sky ¡and ¡TelosB ¡motes ¡

q

IEEE ¡802.15.4 ¡compliant ¡Chipcon ¡CC2420 ¡radio ¡

q

16 ¡channels ¡(11—26) ¡in ¡5 ¡MHz ¡steps ¡

q

TinyOS ¡2.1 ¡using ¡default ¡CSMA/CA ¡MAC ¡layer ¡

Ø Packet ¡RecepGon ¡Rate ¡(PRR) ¡of ¡all ¡802.15.4 ¡channels ¡

q

10 ¡apartments, ¡24 ¡hours ¡per ¡apartment ¡

q

A ¡node ¡broadcast ¡100 ¡packets ¡per ¡channel ¡to ¡mulGple ¡receivers, ¡ cycling ¡through ¡all ¡16 ¡channels ¡in ¡5 ¡minutes ¡

q

Receivers ¡recorded ¡the ¡PRRs ¡in ¡onboard ¡Flash ¡

16 ¡

Ques,ons

• 1. Is ¡there ¡a ¡persistently ¡reliable ¡channel? ¡ ¡
• 2. If ¡a ¡good ¡channel ¡cannot ¡be ¡found, ¡are ¡retransmissions ¡

sufficient ¡to ¡deal ¡with ¡packet ¡loss? ¡ ¡

• 3. If ¡no ¡single ¡channel ¡can ¡be ¡used ¡for ¡reliable ¡operaGon, ¡can ¡

we ¡exploit ¡channel ¡diversity ¡to ¡achieve ¡reliability? ¡

• 4. Do ¡channel ¡condiGons ¡exhibit ¡cyclic ¡behavior ¡over ¡Gme? ¡ ¡
• 5. Is ¡reliability ¡strongly ¡correlated ¡among ¡different ¡channels? ¡

17 ¡

Is ¡there ¡a ¡persistently ¡reliable ¡channel? ¡

Different links within a same apartment

Ø Link ¡reliability ¡varies ¡among ¡apartments ¡and ¡links.

Different apartments

18 ¡

Is ¡there ¡a ¡persistently ¡reliable ¡channel?

Ø No, ¡because ¡of ¡temporal ¡variability. ¡

Lowest PRR observed on each link’s most reliable channel

19 ¡

Is ¡retransmission ¡sufficient?

Ø No, ¡due ¡to ¡burs:ness ¡of ¡transmission ¡failures. ¡

20 ¡

Is ¡channel ¡hopping ¡effec,ve?

21 ¡

Ø Yes! ¡

How ¡oWen ¡needs ¡a ¡link ¡switch ¡channel?

Number of channel hops required under an optimal schedule (one link selected randomly per apartment)

22 ¡

Ø Only ¡a ¡small ¡number ¡of ¡channel ¡hops ¡per ¡day. ¡

Can ¡hopping ¡be ¡scheduled ¡sta,cally?

Ø Channel ¡condi:ons ¡are ¡not ¡cyclic ¡à à ¡channel-­‑hopping ¡ decisions ¡must ¡be ¡made ¡dynamically.

Pearson product-moment correlation coefficient

23 ¡

How ¡should ¡new ¡channels ¡be ¡selected?

Conditional probability of channel failure

24 ¡

Ø Reliability ¡is ¡correlated ¡among ¡adjacent ¡channels ¡ Ø A ¡link ¡should ¡hop ¡far ¡away ¡from ¡a ¡failing ¡channel. ¡

Correlation of channel reliability

Spectrum ¡Analysis: ¡Observa,ons

¡ 1. There ¡may ¡not ¡exist ¡a ¡common ¡idle ¡channel ¡across ¡different ¡homes, ¡ due ¡to ¡significant ¡diversity ¡in ¡their ¡spectrum ¡usage ¡pa`erns. ¡ 2. Spectrum ¡occupancy ¡in ¡homes ¡can ¡exhibit ¡significant ¡variability ¡over ¡ Gme, ¡whether ¡looking ¡at ¡Gmescales ¡of ¡days, ¡hours, ¡or ¡minutes.. ¡ 3. Channel ¡usage ¡is ¡not ¡strongly ¡temporally ¡correlated. ¡ ¡ 4. While ¡Wi-­‑Fi ¡is ¡an ¡important ¡source ¡of ¡interference ¡in ¡residenGal ¡ environments, ¡other ¡interferers ¡can ¡also ¡be ¡non-­‑negligible ¡ contributors ¡to ¡spectrum ¡occupancy. ¡ ¡

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802.15.4 ¡Link ¡Study: ¡Observa,ons

1. Link ¡reliability ¡varies ¡greatly ¡from ¡channel ¡to ¡channel. ¡ 2. There ¡is ¡not ¡always ¡a ¡single ¡persistently ¡reliable ¡channel. ¡ 3. Retransmissions ¡alone ¡are ¡insufficient ¡due ¡to ¡the ¡bursGness ¡of ¡ transmission ¡failures. ¡ 4. Channel ¡hopping ¡can ¡improve ¡long-­‑term ¡link ¡reliability. ¡ ¡ 5. Only ¡a ¡small ¡number ¡of ¡channel ¡hops ¡per ¡day ¡are ¡needed ¡to ¡maintain ¡ link ¡reliability. ¡ 6. Channel ¡condiGons ¡are ¡not ¡cyclic ¡à ¡channel-­‑hopping ¡decisions ¡must ¡ be ¡made ¡dynamically. ¡ 7. Reliability ¡is ¡correlated ¡across ¡adjacent ¡channels ¡à ¡a ¡link ¡should ¡move ¡ far ¡away ¡from ¡a ¡failing ¡channel.

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Paper ¡

Ø

• M. ¡Sha, ¡G. ¡Hackmann ¡and ¡C. ¡Lu, ¡Real-­‑world ¡Empirical ¡Studies ¡on ¡MulG-­‑

Channel ¡Reliability ¡and ¡Spectrum ¡Usage ¡for ¡Home-­‑Area ¡Sensor ¡ Networks, ¡IEEE ¡TransacGons ¡on ¡Network ¡and ¡Service ¡Management, ¡

• accepted. ¡

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