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 ¡ Spectrum ¡study ¡of ¡exisGng ¡wireless ¡signals ¡ q 802.15.4 ¡link ¡reliability ¡in ¡all ¡16 ¡channels ¡ q 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 ¡ Power ¡meters, ¡smart ¡thermostats, ¡home ¡appliances. ¡ q 4 ¡ 4 ¡

Wireless ¡Sensor ¡Networks ¡ Ø Advantage ¡ Do ¡not ¡require ¡wired ¡infrastructure. ¡ q Easily ¡and ¡inexpensively ¡retrofit ¡exisGng ¡homes. ¡ q Energy ¡efficiency ¡ q Ø Reliability ¡challenges ¡ Unpredictable ¡environment ¡ q Crowded ¡2.4 ¡GHz ¡ISM ¡band ¡ q 5 ¡

Outline Ø IntroducGon ¡ Ø Experimental ¡methodology ¡ Ø Empirical ¡study ¡in ¡homes ¡ Spectrum ¡study ¡of ¡exis,ng ¡wireless ¡signals ¡ q 802.15.4 ¡link ¡reliability ¡in ¡all ¡16 ¡channels ¡ q Ø Conclusion ¡ Ø Related ¡work ¡ ¡ 6 ¡

Spectrum ¡Usage ¡Traces ¡ Collected ¡from ¡the ¡2.4 ¡GHz ¡spectrum ¡in ¡six ¡apartments ¡and ¡an ¡office Ø 7 ¡

Methodology Ø Spectrum ¡usage ¡between ¡2.400 ¡GHz ¡and ¡2.495 ¡GHz ¡ Ø Wi-­‑Spy ¡2.4x ¡spectrum ¡analyzer ¡ Sweep ¡across ¡the ¡2.4 ¡GHz ¡spectrum ¡ q Sampling ¡period: ¡40 ¡ms ¡ q Signal ¡strength ¡reading ¡on ¡each ¡of ¡254 ¡discrete ¡frequencies ¡ q Ø Traces ¡over ¡7 ¡days ¡in ¡6 ¡apartment ¡and ¡Bryan ¡Hall ¡ Normal ¡daily ¡acGviGes ¡ q 15,120,000 ¡readings ¡for ¡each ¡of ¡the ¡254 ¡frequencies ¡ q 2.5 ¡GB ¡of ¡data ¡per ¡locaGon ¡ q Ø Convert ¡signal ¡strength ¡readings ¡to ¡binary ¡values ¡based ¡on ¡ a ¡threshold ¡ 0: ¡idle ¡channel ¡ q 1: ¡busy ¡channel ¡ q 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? Daily standard deviation Hourly standard deviation Spectrum ¡occupancy ¡exhibits ¡ considerable ¡variability ¡over ¡ :me. 5-minute standard deviation 11 ¡

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 ¡ Spectrum ¡study ¡of ¡exisGng ¡wireless ¡signals ¡ q 802.15.4 ¡link ¡reliability ¡in ¡all ¡16 ¡channels ¡ q Ø Conclusion ¡ Ø Related ¡work ¡ ¡ 15 ¡

Methodology Ø Plaaorm ¡ 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 ¡ q Ø Packet ¡RecepGon ¡Rate ¡(PRR) ¡of ¡all ¡802.15.4 ¡channels ¡ 10 ¡apartments, ¡24 ¡hours ¡per ¡apartment ¡ q A ¡node ¡broadcast ¡100 ¡packets ¡per ¡channel ¡to ¡mulGple ¡receivers, ¡ q cycling ¡through ¡all ¡16 ¡channels ¡in ¡5 ¡minutes ¡ Receivers ¡recorded ¡the ¡PRRs ¡in ¡onboard ¡Flash ¡ q 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? ¡ Ø Link ¡reliability ¡varies ¡among ¡apartments ¡and ¡links. Different apartments Different links within a same apartment 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? Ø Yes! ¡ 21 ¡

How ¡oWen ¡needs ¡a ¡link ¡switch ¡channel? Ø Only ¡a ¡small ¡number ¡of ¡channel ¡hops ¡per ¡day. ¡ Number of channel hops required under an optimal schedule (one link selected randomly per apartment) 22 ¡

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? Ø Reliability ¡is ¡correlated ¡among ¡adjacent ¡channels ¡ Ø A ¡link ¡should ¡hop ¡far ¡away ¡from ¡a ¡failing ¡channel. ¡ Conditional probability of channel failure Correlation of channel reliability 24 ¡

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. ¡ ¡ 25 ¡

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. 26 ¡

Paper ¡ M. ¡Sha, ¡G. ¡Hackmann ¡and ¡C. ¡Lu, ¡Real-­‑world ¡Empirical ¡Studies ¡on ¡MulG-­‑ Ø Channel ¡Reliability ¡and ¡Spectrum ¡Usage ¡for ¡Home-­‑Area ¡Sensor ¡ Networks, ¡IEEE ¡TransacGons ¡on ¡Network ¡and ¡Service ¡Management, ¡ accepted. ¡ 27 ¡