2.4 Trabalhos Relacionados
2.4.9 Outros Trabalhos
Existe uma necessidade imergente de arranjar alternativas ao GPS. Hoje em dia ´
e dif´ıcil imaginar o mundo sem este sistema, pois grande parte da tecnologia est´a dependente do GPS, mesmo tendo em conta as suas grandes limita¸c˜oes.
O DARPA (Defense Advanced Research Projects Angency) ´e um dos protagonistas da tentativa de encontrar alternativas que proporcionem posicionamento em tempo real, tendo em desenvolvimento uma s´erie de projetos ambiciosos, que se compro- metem a ser uma alternativa ou complemento ao GPS, destacando-se os seguintes [57]:
• Adaptable Navigation System (ANS): ´e um projeto com objetivo de desen-
volver novos algoritmos e arquitecturas para uma r´apida implementa¸c˜ao em sistema de posicionameno, navega¸c˜ao e timing em v´arias plataformas, com o intuito de redu¸c˜ao dos custos de desenvolvimento e reduzir o tempo de imple- menta¸c˜ao. Tenciona criar melhores dispositivos de medi¸c˜ao inercial com base em propriedades da f´ısica quˆantica, para melhorar a sua precis˜ao e o tempo de opera¸c˜ao sem qualquer interferˆencia exterior ao sistema. Outro ponto in- teressante ´e o facto de tamb´em estar envolvido com o estudo de uso de sinais eletromagn´eticos que n˜ao sao direcionados para localiza¸c˜ao/navega¸c˜ao: sinais de sat´elites comerciais, sinal r´adio e de televis˜ao e at´e de relˆampagos, com o objetivo de adicionar mais pontos de referˆencia reduzindo a dependˆencia ao
GPS ;
• Microtechnology for Positioning, Navigation, and Timing (Micro-PNT): ´e o
projeto que tem como objetivo o uso da tecnologia de micro-electromechanical
systems (MEMS) em sistemas de localiza¸c˜ao, tentando reduzir o tamanho, sem reduzir a qualidade de dispositivos como gir´oscopios de alta precis˜ao e rel´ogios ou at´e dispositivos completos de medi¸c˜ao inercial, j´a foi fabricado um prot´otipo de 3 gir´oscopios, 3 aceler´ometros e um rel´ogio de alta precis˜ao num
chip do tamanho de uma moeda;
• Quantum-Assisted Sensing and Readout (QuASAR): ´e um projeto relacionado
com o desenvolvimento de rel´ogios at´omicos, que tem como objetivo desen- volver “o rel´ogio at´omico mais preciso do mundo”robusto e port´atil, tendo j´a desenvolvido rel´ogios ´oticos at´omicos com um erro de 1 segundo em 500 milh˜oes de anos. Com rel´ogios precisos e port´ateis poder˜ao melhorar-se v´arios siste- mas de localiza¸c˜ao como o GPS e tamb´em segundo o DARPA desenvolver um sistema de RADAR completamente novo, tal como aplica¸c˜oes meteorol´ogicas entre outras;
• Program in Ultrafast Laser Science and Engineering (PULSE): aplica a mais
rel´ogios at´omicos e dos emissores de microondas, permitindo uma melhor pre- cis˜ao temporal e sincroniza¸c˜ao de frequˆencias a longas distˆancias. Tem como grande objetivo melhorar a eficiˆencia da sincroniza¸c˜ao dos rel´ogios at´omicos, estando associado com o projeto j´a referido QuASAR, referindo que se o pro- jeto for um sucesso poder´a permitir uma distribui¸c˜ao global do tempo mais precisa aproveitando a precis˜ao dos rel´ogios at´omicos;
• Spatial, Temporal and Orientation Information in Contested Environments (STOIC): ´e o programa que se assume totalmente com o objetivo de desenvol- ver alternativas diretas ao GPS, com base em trˆes elementos que combinados tˆem potencial para ser uma alternativa v´alida ao GPS: sinais robustos de grande alcance, rel´ogios t´aticos ultra est´aveis e sistemas multifuncionais que possam fornecer informa¸c˜ao sobre localiza¸c˜ao e timing entre diversos utiliza- dores.
Todos estes projetos encontram-se actualmente em desenvolvimento, n˜ao havendo muita informa¸c˜ao sobre os mesmos, nem data de conclus˜ao at´e ao momento. Tendo feito um apanhado geral de sistemas e tecnologias relacionadas com este tra- balho, tanto como alternativas diretas, como podendo ter aplica¸c˜ao complementar ao projeto proposto, no Cap´ıtulo seguinte ir´a focar-se na localiza¸c˜ao em Wireless
Sensor Networks, abordando os problemas existentes nessa ´area e focando os prin- cipais algoritmos presentes na literatura.
3
de Sensores Sem Fios
Uma Rede de Sensores Sem Fios (Wireless Sensor Network - WSN ) ´e composta por diversos n´os sensoriais (sensor nodes) aut´onomos capazes de fazer a monitoriza¸c˜ao de v´arios parˆametros para cooperativamente atingir um fim. Este tipo de redes tem in´umeras aplica¸c˜oes: na monitoriza¸c˜ao industrial, por exemplo no controlo de montagem de um ve´ıculo, caso seja detetada uma falha, uma resposta ´e gerada de forma a notificar tal evento; em aplica¸c˜oes de monitoriza¸c˜ao m´edica, onde ´e usada uma rede de sensores com intuito de medir certos parˆametros de um dado paciente, tais como a press˜ao arterial, n´ıveis de a¸c´ucar, etc [58].
Ter conhecimento da posi¸c˜ao desses n´os, pode ser uma quest˜ao muito relevante nas
WSN, pois em muitas aplica¸c˜oes, se n˜ao se conhecer a posi¸c˜ao geogr´afica de um n´o, que transmite dados relevantes `a aplica¸c˜ao da rede, tal informa¸c˜ao poder´a ser in´util. N˜ao s´o como complemento a estas redes, a determina¸c˜ao da localiza¸c˜ao poder´a ser o pr´oprio prop´osito das mesmas, devido `as suas caracter´ısticas, dai a relevˆancia da quest˜ao da localiza¸c˜ao em WSN.
A base da localiza¸c˜ao em WSN consiste no princ´ıpio em que os n´os da rede, com a informa¸c˜ao ao seu dispor, cooperem entre si para conseguir obter a sua localiza¸c˜ao e a dos restantes n´os. O foco deste trabalho ´e mais especificamente no caso em
que alguns dos n´os dessa rede conhecem a sua posi¸c˜ao atrav´es de algum mecanismo de localiza¸c˜ao j´a referenciado, como o GPS, e atrav´es da informa¸c˜ao das distˆancias entre os n´os, seja poss´ıvel determinar a localiza¸c˜ao de todos os n´os da rede.
Para um bom entendimento do problema da localiza¸c˜ao em WSN ´e necess´ario fazer uma breve descri¸c˜ao sobre a composi¸c˜ao t´ıpica dos seus n´os, as caracter´ısticas a ter em conta no desenvolvimento de um sistema de localiza¸c˜ao em WSN e estu- dar os algoritmos que s˜ao apresentados na literatura como solu¸c˜ao ao problema de localiza¸c˜ao em WSN.
3.1
Composi¸c˜ao de um N´o Sensorial (Sensor No-
de)
Os elementos chave de uma WSN s˜ao os seus respetivos n´os, portanto ´e necess´ario ter perce¸c˜ao de como estes n´os, tipicamente, s˜ao compostos, para perceber o seu papel na rede.
Os Sensor Nodes possuem componentes de hardware e software. A componente de
software ser´a sempre vari´avel consoante o tipo de aplica¸c˜ao para o qual estes s˜ao desenhados, sendo respons´avel pelo tratamento dos dados obtidos pela componente de hardware, de forma a corresponder com a funcionalidade que tal n´o tem como responsabilidade.
A componente de hardware ´e tipicamente composta por [58]:
• Sensores: como o seu pr´oprio nome diz, cada n´o ´e constitu´ıdo por sensores,
respons´aveis por adquirir dados, consoante a sua funcionalidade (e.g. RSS, temperatura etc). Estes podem ser digitais ou anal´ogicos. Para a convers˜ao dos sinais anal´ogicos para digitais, estes ter˜ao um circuito ou sistema ADC (Analogic-to-Digital Convertor ). Estes sinais ser˜ao posteriormente processa- dos pelo processador, para que consigam ser utilizados e interpretados para aplica¸c˜ao pretendida.
• Processador: ´e a unidade composta por microprocessadores, respons´aveis
pelo processamento dos dados obtidos pelos sensores. A mem´oria e os dis- positivos de entrada/s´aida poder˜ao ser integrados no mesmo circuito. Estes microprocessadores, s˜ao pequenos CPUs (Central Processing Unit) que geral- mente n˜ao tem grande poder computacional devido `as necessidades de consumo baixo de energia.
• Mem´oria:As unidades de mem´oria presentes nos sensores s˜ao de mem´oria RAM (Random-acess Memory) que guarda os dados antes dos enviar ao resto
da rede e de mem´oria ROM (Read-only Memory) onde cont´em o sistema ope- rativo/software necess´ario ao seu funcionamento.
• Transmissor/Recetor R´adio: ´e a unidade respons´avel por receber e trans-
mitir dados aos restantes n´os sensoriais. Usa sinais de RF para se ligar aos restantes n´os. A maior parte da energia de um n´o ´e usada durante a trans- miss˜ao de dados por este componente.
• Unidade de Alimenta¸c˜ao: ´e a unidade respons´avel por alimentar todos os
m´odulos constituintes do Sensor Node, acabando por ser a componente mais importante dos n´os, porque sem energia, nenhum dos m´odulos teria capacidade de operar. Geralmente ´e constitu´ıda por baterias.