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Clustering (hierarchische Algorithmen) Hauptseminar Kommunikation in drahtlosen Sensornetzen WS 2006/07 Benjamin Mies 1

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Page 1: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Clustering (hierarchische Algorithmen)

Hauptseminar Kommunikation in drahtlosen Sensornetzen WS

2006/07

Benjamin Mies

1

Page 2: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Übersicht

Clustering Allgemein

Clustering in Sensornetzen

Clusterheads

Cluster basiertes Routing

Clustering Algorithmen

Zusammenfassung

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Page 3: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Clustering Allgemein

Definition:

Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren

Entstehende Gruppen werden als Cluster bezeichnet

Vaterknoten einer Gruppe nennt man auch Clusterhead

Die Struktur der Cluster wird fest vorgegeben oder zur Laufzeit bestimmt

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Page 4: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Clustering Allgemein

Verschiedene Arten: exklusives Clustering überlappendes Clustering Wahrscheinlichkeitstheoretisches Clustering Hierarchisches Clustering

− flache Hierarchie− mehrstufige Hierarchie

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Page 5: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Clustering in Sensornetzen

Sensoren werden über einem Gebiet abgeworfen

Daher kann man keine feste Netzwerkstruktur vorgeben

Vorteile Energieverbrauch kann gesenkt werden Kommunikation über größere Distanz möglich Datenakkreditierung

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Page 6: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Clusterheads

Aufgaben Daten sammeln Daten zusammenfassen Datenübertragung (Routing) Organisation des Sleeping Schedule Gruppe kann über Clusterhead identifiziert werden

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Page 7: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Clusterheads

Clusterheads mit gleicher Hardware− Neukonfiguration der Netzwerkstruktur zur Laufzeit

Clusterheads mit spezieller Hardware− schnellere CPU− größerer Speicher− größerer Energievorrat

Dadurch ist keine Neukonfiguration mehr nötig

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Page 8: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Cluster

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Page 9: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Clusterbasiertes Routing

komplette Kommunikation über Clusterhead

für die Zeit einer Neukonfiguration ist keine Kommunikation möglich

bei fester Netzwerkstruktur bricht die Kommunikation zusammen, sobald der Clusterhead keine Energie mehr hat

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Page 10: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Algorithmen

Übersicht Minimum Dominating Set Clustering Maximal Independent Set Clustering Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Estrin et al Max-Min d-Cluster Treecast

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Page 11: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Minimum Dominatin Set Clustering Algorithmus

Clusterhead wird durch die Wahrscheinlichkeit auf einem Kanal eine Nachricht zu senden bestimmt

Sensoren lauschen direkt nach dem Aufwachen ob es einen Clusterhead in der Nachbarschaft gibt

Nachricht empfangen -> Zugehörigkeit zu dieser Gruppe Keine Nachricht -> Konkurieren um Position als

Clusterhead Die Wahrscheinlichkeit eine Nachricht zu senden erhöht

sich jede Runde Wer nach Ablauf einer bestimmten Zeit keine Nachricht

gesendet oder empfangen hat wird Clusterhead

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Page 12: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Maximal Independent Set Clustering Algorithmus

1. Phase des Algorithmus

− Nach aufwachen lauschen auf allen Kanälen

− Empfangen einer Nachricht führt zum Neustart des

Algorithmus

− Aus senden einer Nachricht auf Kanal 1 folgt der Eintritt in

Phase 2

2. Phase des Algorithmus

− Bei jedem senden einer Nachricht auf Kanal 2 wird ein

Zähler inkrementiert und mitgeschickt

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Page 13: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Maximal Independent Set Clustering Algorithmus

− Bei empfangener Nachricht wird der Zähler mit dem eigenen verglichen. Wenn der empfangen ungefähr gleich oder größer dem eigenen ist, wird dieser auf Null gesetzt

− Erreicht der eigene Zähler einen bestimmten Grenzwert folgt Eintritt in Phase 3

3. Phase des Algorithmus− Sensor wird in die unabhängige Menge aufgenommen− Sendet Nachrichten auf Kanal 3 um seine Nachbarn in

Kenntnis zu setzen− Wartet auf Sensoren die sich dem Cluster anschließen

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Page 14: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Algorithmus

Hoher Engergieverbrauch als Clusterhead wird auf alle Sensoren verteilt

Advertisement Phase:− Zufallszahl wird bestimmt− Zufallszahl kleiner Schwellwert und Sensor in Menge G-> Sensor wird Clusterhead und aus Menge G entfernt

Setup Phase:− Neuer Clusterhead wartet Sensoren die sich dem Cluster

anschließen− Zuteilen von Zeitschlitzen zur Datenübertragung− Sensoren schließen sich dem Clusterhead an, den sie mit

niedrigstem Energieaufwand erreichen können

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Page 15: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Algorithmus

Steady State Phase:− Netzwerk ist jetzt fertig konfiguriert− Sensoren sammeln Daten und kommunizieren über

Clusterhead mit der Basisstation

Nach vorbestimmter Zeit startet wieder Advertisement Phase

Wenn jeder Sensor einmal Clusterhead war (Menge G leer) startet der Algorithmus von vorne

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Page 16: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Algorithmus

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Page 17: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Estrin et al Algorithmus

Sensoren sind in Stufen eingeteilt (starten in Stufe 0) Senden einer Nachricht mit ID, Vaterknoten und

Energiereserven Danach Wartetimer welche proportional zum Radius ist Aktivieren eines Beförderungstimers

− Antiproportional zu Engergiestatus und empfangenen Nachricht

Wenn der Timer abgelaufen, und noch kein Clusterhead in der Nachbarschaft ist wird der Sensor Clusterhead

− Senden einer Nachricht mit neuem Status− Warten auf Sensoren die sich anschließen

Danach wieder eine Wartetimer Nach Ablauf starten des Beförderungstimers für Stufe 2

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Page 18: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Max-Min d-Cluster Algorithmus

Floodmax-Phase

− Eigene ID wird auf eine Liste gesetzt und an alle direkten Nachbarn gesendet

− Am Ende wird aus allen Listen die höchste ID ausgewählt und auf die eigene Liste gesetzt

− Liste an alle Nachbarn senden

Floodmin-Phase− Warten auf Antworten aus Floodmax-Phase− Die kleinste ID wird auf die eigene Liste übernommen− Liste an alle Nachbarn senden

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Page 19: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Max-Min d-Cluster Algorithmus

Regeln zur Bestimmung der Clusterheads

1. Sensor wird Clusterführer wenn er seine Idee während der Floodmin-Phase erhalten hat

2.Falls ein Sensor seine Idee kein einziges mal in der Floodmin-Phase erhalten hat, schließt er sich dem Clusterhead an, welche in beiden Phasen auf der Liste stand

3.Wenn 2. zu keinem Ergebnis führt wird der Sensor mit der höchsten ID in der Floodmax-Phase zum Clusterhead

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Page 20: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Treecast Algorithmus

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Sensoren werden in einer Baumstruktur gruppiert Jeder Sensor bekommt eine eindeutige Adresse in

diesem Baum Adressen werden von einem Sensor zugewiesen,

welcher auch für die gesamte Kommunikation verantwortlich ist

Neukonfiguration des Netzwerks nur in Sonderfällen vorgesehen

− Ausfall eines Sensors mit Kindknoten− Neuer Sensor im Netzwerk

Page 21: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Treecast Algorithmus

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Page 22: Clustering (hierarchische Algorithmen) · Clustering Allgemein Definition: Beim Clustering geht es darum, eine chaotische verteilte Menge zu gruppieren Entstehende Gruppen werden

Zusammenfassung

Vorteile von Clustern

− Überbrücken von größeren Strecken− Datenaggregation− Energie sparen

durch wechselnde Clusterheads zuteilen von Sendezeiten

Nachteile von Clustern

− Konfiguration benötigt auch Energie− während Konfiguration keine Kommunikation möglich

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