Comunicações em RSVSF

As imagens obtidas por sensores visuais devem ser transmitidas para o sink da rede para processamento, reprodução ou armazenamento para uso futuro, de acordo com as de- finições da aplicação. As imagens capturadas serão geralmente encapsuladas em muitos pacotes de dados para serem transmitidas através de nós intermediários, onde esses nós intermediários são interconectados por conexões ad hoc sem fio. Devido a essas caracte- rísticas inerentes das redes de sensores sem fio, notavelmente as restrições de energia e processamento e as características das comunicações ad hoc, protocolos tradicionais da Internet não podem ser diretamente empregados nessas redes, necessitando adaptação de protocolos da arquitetura TCP/IP e de tecnologias de comunicação existentes ou mesmo propostas de novos padrões.

Há alguns conceitos chaves que têm sido considerados durante o desenvolvimento de tecnologias e protocolos de comunicação para RSVSF. Entre eles, energia é o aspecto mais crucial, uma vez que se espera que os sensores sejam operados por bateria. De fato, a maior parte do consumo de energia resulta da transmissão e recepção de pacotes [Qaisar & Radha 2009, Lecuire et al. 2008]. Assim, a fim de endereçar essa necessidade por efi-

ciência energética, algumas tecnologias de comunicação sem fio e protocolos de controle de acesso ao meio foram desenvolvidos para assegurar apenas uma limitada banda de co- municação, onde os períodos ativos dos nós são intercalados por períodos de inatividade (sleeping time). Dessa forma, uma quantidade considerável de energia é poupada quando períodos ociosos (idle listening) são evitados, porém a vazão da rede é reduzida. Tecno- logias de comunicação como o padrão IEEE 802.15.4 [Baronti et al. 2006] e protocolos como o T-MAC (Timeout-MAC) [Dam & Langendoe 2003] foram desenvolvidos para atender essa demanda por comunicação eficiente de energia, satisfatoriamente atendendo aplicações em redes de sensores sem fio para monitoramento de informações escalares.

Quando imagens ou outros dados multimídia devem ser transmitidos através de redes de sensores sem fio, um grande problema que surge é adaptar a reduzida banda de co- municação com os requisitos de transmissão desses dados. Por exemplo, o padrão IEEE 802.15.4 suporta uma taxa de transmissão máxima de 250 kbps, que pode ser insufici- ente para muitas aplicações. Em alguns casos, tem-se proposto o uso do padrão IEEE 802.11 [Stallings 2001] para obter uma maior taxa de transmissão, mas essa tecnolo- gia não é eficiente em termos de consumo energético. De fato, tecnologias como IEEE 802.15.4 não são apropriadas para RSVSF, mas como esse padrão é largamente utilizado em redes de sensores escalares e está presente na maioria dos dispositivos disponíveis no mercado, muitas pesquisas têm focado em adaptações desse padrão para transmis- são de dados multimídia [Akyildiz et al. 2007, Almalkawi et al. 2010, Garcia-Sanchez et al. 2011]. Contudo, novas tecnologias de comunicação como UWB (Ultra Wideband) [Campelli et al. 2008] e propostas alternativas como a utilização de mais de uma antena por nó para a criação de múltiplos canais de comunicação (aumentando assim a banda efe- tiva de comunicação) estão surgindo como opções para essas redes, abrindo novas frentes de pesquisa.

Além das questões de eficiência energética e banda de comunicação, a recuperação de erros e o controle de fluxo também trazem novos desafios para a transmissão de ima- gens sobre redes de sensores sem fio. A potencial alta taxa de transmissão de sensores visuais pode congestionar nós intermediários e resultar indiretamente em perda de pa- cotes. Adicionalmente, nós adormecidos podem acordar subitamente, transmitindo uma grande quantidade de pacotes em um curto período de tempo [Chen et al. 2002]. O es- forço de retransmissão de pacotes perdidos devido a um congestionamento pode também rapidamente degradar os recursos de energia dos nós sobrecarregados, além de aumentar o atraso fim a fim da comunicação [Ee & Bajcsy 2004]. Mais ainda, um congestionamento pode também prejudicar a confiabilidade da rede em detectar algum evento, uma vez que dados transmitidos em tempo real podem ser atrasados se nós intermediários estão con-

gestionados. Finalmente, congestionamentos degradam a utilização dos enlaces sem fio, incorrendo em mais atraso e consumo de energia.

Quando sensores recebem mais dados que podem processar, que significa uma taxa de chegada de pacotes maior que a taxa atual de processamento desses pacotes, os buffers podem sobrecarregar e pacotes podem ser perdidos. Isto é mais provável de acontecer em nós próximos ao sink, já que eles recebem mais tráfego proporcionalmente uma vez que as transmissões em RSVSF fluem dos nós fontes para o sink (upstream). Podemos também esperar congestionamento quando os enlaces não são capazes de atender a demanda atual de comunicação, geralmente devido a procedimentos de contenção no acesso ao meio e interferências no canal [Chilamkurti et al. 2010, Lin et al. 2009].

Enlaces sem fio apresentam uma alta taxa de erro quando comparado com enlaces cabeados, o que pode resultar em uma maior taxa de perda de pacotes ao longo do tempo. Mais ainda, congestionamentos podem também resultar em perda de pacotes [Ee & Bajcsy 2004], como já mencionado. Em redes de sensores sem fio para monitoramento de dados escalares, nós fontes coletam dados do ambiente transmitindo pacotes para o sink, sendo que tais pacotes podem ser corrompidos durante a transmissão. Quando sen- sores visuais são utilizados, a recuperação de erros é ainda mais necessária porque parte dos dados codificados pode ser altamente relevante para o processo de reprodução da mí- dia no destino final [Yu et al. 2004, Cheng & Shang 2007, Politis et al. 2008]. Além disso, nós visuais podem ter uma visão única do ambiente monitorado [Costa & Guedes 2010], ditando a relevância dos pacotes. Contudo, deve-se lembrar que mecanismos de recupe- ração de erros irão impactar negativamente o consumo de energia da rede e aumentar a complexidade dos protocolos de comunicação. Adicionalmente, o atraso médio da comu- nicação pode ser aumentado quando algumas informações perdidas devem ser recupera- das. Um serviço confiável em RSVSF pode ser garantido por retransmissão de pacotes perdidos, recuperação de pacotes corrompidos e/ou transmissão de pacotes redundantes.

Muitos aspectos desses grandes desafios têm sido investigados pela comunidade aca- dêmica, mas muitos desafios ainda persistem sem solução. Nesta tese, estamos especi- almente interessados em investigar como obter transmissão de imagens com eficiência energética mantendo a qualidade visual de monitoramento em um nível aceitável.