Métodos integrados para organização de redes de sensores sem fio com sorvedouro móvel e controle de densidade

MÉTODOS INTEGRADOS PARA ORGANIZAÇO DE

REDES DE SENSORES SEM FIO COM SORVEDOURO

MÓVEL E CONTROLE DE DENSIDADE

Instituto de Ciênias Exatas

Programa de Pós-Graduação em Ciênia da Computação

MÉTODOS INTEGRADOS PARA ORGANIZAÇO DE

REDES DE SENSORES SEM FIO COM SORVEDOURO

MÓVEL E CONTROLE DE DENSIDADE

Dissertação apresentada ao Curso de

Pós-GraduaçãoemCiêniadaComputaçãoda

Uni-versidadeFederalde MinasGeraisomo

requi-sitoparialparaaobtençãodograu deMestre

emCiênia da Computação.

WAGNER MORO AIOFFI

FOLHA DE APROVAÇO

Métodos integrados para organização de Redes de Sensores sem Fio om

sorvedouro móvel e ontrole de densidade

WAGNER MORO AIOFFI

Dissertação defendidae aprovadapelabana examinadora onstituída por:

Ph. D. Geraldo Robson MateusOrientador

UniversidadeFederal de MinasGerais

Dr.Alexandre Salles da Cunha

UniversidadeFederal de MinasGerais

Ph. D.Antnio Alfredo Loureiro

UniversidadeFederal de MinasGerais

Dr.Luiz Chaimowiz

Nessetrabalho apresentamos doisnovosmétodosparaorganizaçãodeRedesdeSensoresSem

Fio(RSSF).Essesmétodosintegramoontrolededensidadeemobilidadedosorvedouropara

otimizar algumasmétriasimportantes dessasredes. Em métodostradiionais, om

omuni-açãomulti-saltos,oproessoderoteamento dedadosé apontadoporalgunsautoresomum

grande onsumidor de energia. Para reduzir esse onsumo, a mobilidade do sorvedouro foi

integrada asRSSFpossibilitandoaoletadedadosutilizandoomuniação um-salto. Porém,

os métodos propostos apresentam um maior atraso na entegra de dados se omparados aos

métodostradiionais. Paratratar esse problema, propomoso método SHS (Single-Hop

Stra-tegy) que estende os métodos propostos na literatura om o objetivo de reduzir o atraso na

entrega. A imposição da restrição deomuniação um-salto obrigaosnóssensores aestarem

noraiodeomuniaçãodosorvedouroparareportarseusdados,oqueimpõeummaioratraso

na entrega dessesdados. Paraaproximar osmétodosomsorvedouro móvel aométodos

tra-diionais om relaçaoao desempenho no atraso na entrega de mensagens, propomos o MHS

(Multi-Hop Strategy). OMHS estende ométodo SHS implementando umesquema de

omu-niaçãomulti-saltosomonúmerodesaltoslimitado. Comisso,reduzimosotempodeoleta

dos dados através de agrupamentos de maior raio. Os dois métodos integram a mobilidade

do sorvedouro om ontrole de densidade, onde o sorvedouroé o responsável pelo ontrole e

implantaçãodas deisões. Os resultados omputaionais mostram umasigniativa melhora

em métriasomo tempo de vida dasRSSFs, obertura e onetividade. Entretanto, na

mé-tria de atraso naentrega de dadososmétodos omsorvedouromóvel sãosigniativamente

menoseientesqueestratégiasmulti-saltos. Porém,osresultadostambémmostramqueom

o ajustedealguns parâmetros omoveloidade dosorvedouro, densidade daredeeo número

InthisworkwepresenttwonewmethodsfororganizationofW irelessSensorNetwork(WSN).

These methods integrate the density ontrol and sink mobility to optimize some important

WSN' metris. In traditional methods, withmulti-hop ommuniation, themessage routing

proess is pointed, by some authors, as the largest energy onsumer. To redue the routing

energy onsume, themobilesinkhasbeen introdued inWSN enabling single-hop

ommuni-ation. However,theproposedmethodswithmobilesinkshowsahighmessagedeliverydelay

ompared to tradiionalmethods. Toonsiderthis problem,weproposetheSHS(Single-hop

strategy) method, thatextends theexistingmethods withtheobjetive ofreduing message

delivery delay. The single-hop ommuniation onstraint imposes sensor nodes to be in the

sink ommuniation range to report its data, what inreases themessage delivery delay. To

approximate the methods with mobile sink to tradiional methods based on delivery delay

performane,weproposetheMHS(Multi-HopStrategy). TheMHSmethodextendstheSHS

implementing amulti-hopommuniationwithalimitednumberofhops. Withthisstrategy,

theMHSreduesthetimeneededtoolletsensornodesdataandthemessagedeliverydelay

byinreasingthelusterrange. Bothmethodsintegratethesinkmobilityanddensityontrol,

where thesinkisresponsibletoontrolandtodeploytothesensornodes. Theomputational

results show a signiant performane inrease in metris suh as WSN lifetime, overage

and onnetivity. Asexpeted, the proposed methods are not as eient as thetradiional

ones, regardingthedelivery delay metri. However,some parameteradjustmentsuhassink

speed, network density and number of mobile sink ould inrease signiantly this metri

Este trabalho é fruto de dois anos de muito trabalho. Durante esse tempo, muitas pessoas

ontribuiram direta ouindiretamenteparaa suarealização. Atodaselas gostaria de prestar

aqui o meuagradeimento.

Queroomeçarporalgumaspessoasquemuitoantesdeeuimaginaresreveresses

agrade-imentos já lutavampelomeusuesso. Aosmeus pais,Luiz e Ida,por empenharem-se tanto

na minhaformação prossionale,prinipalmente, pessoal. Voêssãoexemplodeluta,

perse-verançaeamorinondiional. AosmeusirmãosLuizCláudio, RobsoneWilian,obrigadopelo

ompanheirismo e amizade. Apesar dasnossasmuitas diferenças, a relaçãoentre nósquatro

é eterna,ontem sempreomigo.

Aosmeus amigos deAraruz, que, mesmodepoisde seteanos depouosontatos devido

à distânia físia,ontinuam próximos. Aanidade omvoêsfoiinstântanea, nossoperíodo

de onvivênia juntos nemfoi tãogrande, mas foi suientepara serlembrado parasempre,

obrigado, Saurus, Dudu,Tais,Olga,Letíia, Deborah e Larissa.

Aos meus amigos de BH, responsáveis pela minha (quase) adaptação à essa idade. As

pessoas do Synergia, por proporionarem o melhor ambiente de trabalho que eu já onhei,

obrigado por meajudaremareserprossionalmente. AtodosdoLapo,quemeajudarama

realizar estetrabalho,ousimplesmente estavamlátodososns desemanaparadividirasala

e tornar o trabalho menos tedioso. Ah, lógio que eu não posso esqueer dosbolos, tortas,

salgadinhos, doese tudo quesempreompartilhamosno laboratórioparaquebrararotina.

Finalmente, gostaria de agredeer a pessoal me levou para o mundo da pesquisa. Prof.

Robson, meuorientadorde iniiação iêntia e projetoorientadonagraduação e orientador

deste trabalho, agradeço por ter areditado em mim, por ter sido umorientador presente, e

1 Introdução 1

1.1 Motivação . . . 1

1.2 Objetivos . . . 3

1.3 Contribuições . . . 5

1.4 Organização dadissertação . . . 6

2 Rede de sensores semo 7 2.1 Sensor . . . 9

2.1.1 Componentes . . . 10

2.1.2 Modelodeonsumo de energia . . . 12

2.1.3 Modelo depropagação de sinal . . . 16

2.2 Sorvedouro . . . 17

3.2 Controle de densidade . . . 21

3.3 Protoolos de omuniação . . . 23

3.4 Agrupamento . . . 23

3.5 Problemasde Otimização ombinatória. . . 24

3.5.1 Caixeiro viajante . . . 24

3.5.2 Cobertura de onjuntos . . . 25

3.5.3 p-Centros . . . 27

4 Abordagens 28 4.1 Deniçãodosproblemas . . . 29

4.1.1 Controle de densidade . . . 29

4.1.2 Agrupamento . . . 31

4.1.3 Controle de mobilidade do sorvedouro . . . 34

4.2 Arquiteturasde rede . . . 36

4.2.1 SHS - Redesum-salto . . . 36

4.2.2 MHS- Redes multi-salto . . . 38

4.3 Complexidade dosalgoritmos . . . 42

5.1 Téniade avaliação . . . 44

5.2 Métrias . . . 45

5.3 Parâmetros . . . 46

5.4 Carga detrabalho e denição deenário . . . 47

5.5 Problemasombinatórios. . . 47

6 Resultados omputaionais 49 6.1 Impatoda densidade da rede . . . 52

6.1.1 Atrasona entrega demensagens . . . 52

6.1.2 Tempo de vida darede. . . 54

6.1.3 Taxa demensagens entregues . . . 55

6.1.4 Cobertura . . . 57

6.2 Impatoda veloidade do sorvedouro . . . 59

6.2.1 Atrasona entrega demensagens . . . 60

6.3 Impatodo tamanho daárea demonitoramento . . . 61

6.3.1 Atrasona entrega demensagens . . . 61

6.3.2 Cobertura . . . 62

6.4.2 MHSom maisde umsorvedouro. . . 66

6.5 Outrosresultados . . . 67

6.5.1 Cobertura . . . 67

7 Conlusões 69 7.1 Atraso na entrega de mensagens. . . 71

7.2 Tempo devida da rede . . . 72

7.3 Taxade entregade mensagens. . . 73

7.4 Cobertura . . . 73

7.5 Consideraçõesparaoutros enários . . . 74

7.6 Trabalhosfuturos . . . 75

A Simulador para RSSF 77 A.1 Introdução. . . 77

A.2 Problemasem simulação . . . 78

A.2.1 Deniçãode enário de simulação . . . 78

A.2.2 Ferramentas de simulação . . . 79

A.3 JiST/SWANS . . . 81

A.4.2 Arquitetura . . . 84

A.4.3 Elemento de rede . . . 84

A.4.4 Bateria . . . 87

A.4.5 Rádio . . . 87

A.4.6 Camadade enlae . . . 88

A.4.7 Camadade rede . . . 89

A.4.8 Monitor . . . 89

A.4.9 Módulos utilitários . . . 90

A.4.10 Celular . . . 95

A.4.11 Integração biblioteas externas . . . 96

A.5 Conlusãoe trabalhos futuros . . . 97

1.1 Cenário depesquisa . . . 6

2.1 Primeira geração da linhaMote(RF Mote). . . 9

2.2 Miamote 2. . . 9

2.3 MiaZ. . . 10

2.4 Elementos queompõemumnó sensor. . . 10

2.5 Sorvedouromóvel terrestre- ProjetoCotsBots. . . 18

2.6 Sorvedouromóvel aéreo- Dirigível . . . 18

4.1 Cenário omagrupamento parao SHS.. . . 33

4.2 Cenário omagrupamento parao MHS. . . 34

4.3 Método SHS. . . 37

4.4 Cenário SHS. . . 39

4.5 Método MHS.. . . 40

6.2 Tempode vida darede xNúmerode sensores. . . 54

6.3 Taxa de entrega xNúmero desensores.. . . 55

6.4 Cobertura xNúmero de sensores: 3horas de simulação. . . 57

6.5 Cobertura xNúmero de sensores: 5horas de simulação. . . 58

6.6 Cobertura xNúmero de sensores: 7horas de simulação. . . 58

6.7 Cobertura xNúmero de sensores: 9horas de simulação. . . 59

6.8 Atraso xVeloidadedo sorvedouro. . . 60

6.9 Atraso xTamanhoárea. . . 62

6.10 Cobertura xTempo: 100 metrosde lado . . . 63

6.11 Cobertura xTempo: 200 metrosde lado . . . 63

6.12 Cobertura xTempo: 300 metrosde lado . . . 64

6.13 Atraso xNúmero desensores (SHS) . . . 66

6.14 Atraso xNúmero desensores (MHS).. . . 67

6.15 Cobertura da áreaxTempo . . . 68

A.1 Modelode amadas OSI . . . 82

A.2 Arquitetura doJiST/SWANS . . . 83

2.1 Caraterístias doproessadorAtmelATMega 128L . . . 10

Introdução

1.1 Motivação

A assoiação doavanço emdiversasáreas,prinipalmente miroeletrnia, omuniação sem

o e miro sistemas eletromeânios (MEMS - Miro Eletro-Mehanial Systems) tem

es-timulado enormemente o desenvolvimento dasRedes de Sensores Sem Fio (RSSF). A

res-ente redução do tamanho dos dispositivos que ompõem o sensor, aumento na apaidade

de proessamento, aumento na apaidade de armazenamento de dados e desenvolvimentos

de baterias apazes de forneer uma quantidade ada vez maior de energia para os outros

dispositivos dossensores permitem que as RSSFs se apresentem omo uma solução para

di-versasapliaçõesde monitoração e ontrole, tais omo: monitoração ambiental, monitoração

eontroleindustrial, segurançapúbliaedeambientesemgeral,áreasdedesastresederisos

para vidashumanas, transporte eontrole militar.

AsRSSFs são umnovo tipo de redes semo (MANET - Mobile Ad ho Network). Essas

redes sãoompostaspelos nós sensores 1

. Geralmenteada nó sensoréompostopor:

•

Proessadorom apaidade deproessamento limitada;

1

Nesse texto os termos nó sensor e sensor serão utilizados omo sinnimos para designar o elemento

•

Memória ombaixa apaidade de armazenamento de dados;

•

Função de sensoriamento para aquisição de dados dos eventos monitorados, tais

omo: aústio, sísmio, infravermelho, vídeo-âmera,temperatura epressão;

•

Rádio para omuniação sem o;

•

Bateria paraproverenergia aosoutros dispositivos;

As RSSFs diferem de redes de omputadores tradiionais em vários aspetos.

Normal-menteessasredes possuemumgrandenúmero denós(Akyildizetal.,2002 ),omautonomia

energétia limitada. Autonomia é o prinipal fator limitante do uso das RSSF já que as

prinipais apliações para elas geralmente projetam um ambiente onde os nós sensores são

distribuídos por áreasde difíil aessoimpossibilitando atroa ou rearga desuabateria.

Asredesadhodiferemdasredestradiionais,ondeaomuniaçãoentreosseuselementos

é feita através de estações rádio base, que onstituem uma infra-estrutura de omuniação.

Por outro lado,em umaad ho osseus elementos omuniam entresi formando redes

multi-saltos (multi-hop) para transmissão dos dados. Organizaionalmente, as RSSFs e MANETs

são idêntias, já que possuem elementos omputaionais que omuniam diretamente entre

si. No entanto, asMANETs têm omo função básia prover suporte à omuniação de seus

elementos omputaionais, que individualmente, podem estar exeutando tarefas distintas,

enquantoasRSSFs tendemaexeutarumaúniafunção deformaolaborativa. Além denas

RSSFs oselementosomputaionais sãoassumidosseremmais limitados.

Além do nó sensor, as RSSF possuem um ou mais sorvedouro. O sorvedouro é um nó

espeial,responsávelporreeberosdadosoletadoseproessadospelaRSSF.Osorvedouroé

o responsávelportransmitir essesdadospara osinteressadosforadaRSSF,funionadoomo

uma ponte(gateway) entrea RSSFeo mundo exterior.

AsRSSFspodemserlassiadasemmóveiseestátiasdependendodaapaidadede

mo-vimentação dosseus elementos. Muitos trabalhosde pesquisa apostam no sorvedouromóvel

Zhao etal. , 2004 ; Jainetal., 2006 ). Nesses trabalhos o sorvedouro pode ter sua mobilidade

ontrolada ounão,enoasodenãoserontrolávelelapodeserdivididaemprevisívelounão

previsível.

Dadas essas partiularidades e reursos limitados, as RSSFs tem estimulado pesquisas

em inúmeras áreas do onheimento omo: projeto de hardware de baixo onsumo de

ener-gia (XBOW , 2006b ), desenvolvimento de algoritmos de roteamento (Rajaraman , 2002),

oti-mização de topologia e roteamento (Cardei etal. , 2002 ; Nakamura et al., 2005b ; Ye etal.,

2002 ; Zhange Hou , 2005 ; Cerpa eEstrin , 2004 ; Zhou e Krishnamahari, 2003). No geral, o

prinipal objetivo daspesquisasnessaárea éo aumento da vida útil daRSSF.

1.2 Objetivos

AspesquisasmaisreentesemRSSFtêm,geralmente, tratadoadaumdosproblemas

enon-trados nessas redes de forma isolada. Reentemente, uma nova área de pesquisa, onheida

omo ross-layer design, está sendo explorada om o intuito de melhorar o desempenho

ge-ral das RSSF em termos de onança, tempo de vida, entre outros (Siqueiraetal., 2006 ).

A idéia básia é romper a divisão de amadas de protoolo de rede promovendo um ganho

de desempenho da rede. Por exemplo, em Siqueira etal. (2006 ) é proposto uma integração

entre ontrole de densidade e roteamento de formaa gerar umarede maiseiente tanto em

onsumo de energia omo emonançana entregadosdados.

Neste trabalho, utilizamos ténias de otimização ombinatória para resolver diferentes

problemas de organização efunionamento dasRSSFde forma integrada,prourandopro

je-tar redes om maior longevidade e bom desempenho em métrias omo taxa de entrega de

mensagens,obertura daredeentreoutras. Para tanto,abordaremososseguintes problemas:

•

Coleta de dados: Esse problema onsiste em enontrar uma forma do nó sensor

enviar os dados oletados por ele ao sorvedouro. Consideramos aqui duas formas de

do outro. Na segunda forma, os nós sensores também trabalham omo roteadores de

dados podendo reeber dados de outros nós sensores e entregando-os ao sorvedouro,

entretanto onúmero de enlaesqueumamensagem pode atravessaré limitado.

•

Controle de densidade: Como o número de nós sensores em uma RSSF pode ser

muito elevado, oontrole dedensidade torna-se umaspetoimportantenaorganização

dessas redes (Cerpae Estrin, 2004;Ye etal. ,2002 ; Zhang e Hou,2005 ). Em uma rede

muito densa, alguns nós sensores podem trabalhar na mesmaárea, issoé, mais de um

sensorpode estáobrindoa mesmaárea,oasionandoredundânia nosdadosoletados

além de aarretar um tráfego desneessário à rede onseqüentemente aumentando o

onsumo de energia (Tilak etal. , 2002 ). O meanismo de ontrole de densidade deve

utilizar omenor número desensorespossívelnatarefa deoberturada áreasensoriada.

•

Mobilidade do sorvedouro: O ontrole da mobilidade do sorvedouro na oleta de

dado dos sensores,para asduas formas, é onsiderado neste trabalho. As duasformas

de oleta de dados podemgerar redes desonexas,onde alguns nóssensores amsem

omuniaçãoomorestodarede,obrigando osorvedouroamovimentar-sesobreaárea

sensoriada para a oleta de dados de todos os nós sensores. Dado que a veloidade

de movimentação do sorvedouro é ordens de magnitude menor que a veloidade de

omuniaçãosemodossensores,aotimizaçãodarotadosorvedouroéfatorimportante

para a minimização do atraso na entrega das mensagens. Além disso, nesse trabalho

onsideramos o asode RSSFs omumou maissorvedouromóvel.

Apesardessesproblemasseremindependentes, neste trabalho ostrataremos emum

ara-bouço integrado, visando prinipalmente o aumento da vida útil das RSSFs e a redução do

atraso na entrega dasmensagens,prinipal problemarelaionado autilização de sorvedouros

móveis(Gandham etal. ,2003 ).

Cabe ressaltar a omplexidade dos problemas e algoritmos tratados. O objetivo deste

trabalho é uma avaliação dosproblemas em RSSFnão sepreoupando om a eiênia dos

apresentadostratamumenárioondeossensorespossuemumataxadegeraçãodemensagens

onstante e igual em ada nó sensor. Além disso, osnós sensores são distribuidos de forma

aleatória,omfunçãodensidadedeprobabilidadeuniforme,portodaaáreadesensoriamento.

1.3 Contribuições

Sãopropostosdoismétodosintegradosparaasoluçãodosproblemastratados: oSHS-

Single-Hop Strategy e o MHS - Multi-Hop Strategy. No primeiro é onsiderado uma RSSF om

estratégia de oleta de dados onde asmensagens sãoentregues ao sorvedouroom umúnio

salto. Osegundoonsidera umaRSSFom estratégiadeoleta de dadosonde asmensagens

são entregues aosorvedouro ommultiplos saltos, porém o número de saltosé limitado.

OSHS otimizaaomáximo oonsumo deenergiada RSSFreduzindo oonsumode dados

omroteamento demensagens. Essemétodoestendeassoluçõesexistentesnaliteraturapara

organizaçãode RSSFomsorvedourosmóveisomoobjetivode reduziroatrasoesperadona

entregade mensagensapresentadoporessesmétodos,mantendoobaixoonsumo deenergia.

O MHS apresenta uma solução intermediária ao SHS e métodos onde as mensagens são

roteadasatravésdossensores,de formaonvenional, dosnóssensores atéosorvedouro(sem

limite). OmétodoMHSestendeoSHS,relaxandoarestriçãodeumúniosaltopossibilitando

o roteamento de mensagens pelos nós sensores, porém o número de saltos que uma

mensa-gem pode atravessar até hegar ao sorvedouro é limitado. O MHS onsidera os objetivos

onitantes entre a otimizaçãodo onsumo deenergia e oatraso na entregadasmensagens.

Oenário tratado é mostradonagura 1.1.

Estetrabalho apresenta asseguintes ontribuições:

•

a integração do ontrole de densidade om a mobilidade do sorvedouro, onde este é o

•

roteamento do sorvedouro visando a redução do tempo de ilo de oleta do mesmo,

sendo oproblema modeladoomo oProblema doCaixeiro Viajante;

•

umontrole eientedoestadodostrêsdispositivosbásiosdo nósensor(rádio,bateria

e função de sensoriamento)aumentandoa eiêniaenergétia da RSSF;

•

além de extensiva avaliaçãoexperimentaldosresultados.

Figura 1.1: Cenário depesquisa

1.4 Organização da dissertação

Esse doumento está organizado omo segue. O Capítulo 2 apresenta os fundamentos das

RSSF, seus prinipais problemas, as simpliações e suposições feitas nesse trabalho. O

Capítulo 3apresentaumarevisãobibliográa detalhadade adaumdosproblemas tratados

nesse trabalho, tanto da área de RSSFomo a revisão de todos os modelos e algoritmos de

otimizaçãoombinatóriautilizadosomobaseparaasoluçãodetaisproblemas. NoCapítulo4

são apresentadas as diversas abordagens utilizadas para a solução integrada dos problemas

apresentados, tanto para um ou mais sorvedouros, om redes um-salto e redes multi-saltos.

No Capítulo 5 é apresentada a metodologia de avaliação experimental utilizada paravalidar

e avaliar os métodos propostos. No Capítulo 6 os prinipais resultados omputaionais das

Rede de sensores sem o

As RSSFs são ompostas por um grande número de elementos omputaionais, osnós

sen-sores, dotados deapaidade de monitorar algum tipo de evento físioe reportaratravésde

omuniação semo dadossobre esseseventosa umobservador.

Além disso, nessas redes existe um ou mais elementos omputaionais responsáveis por

oletarosdadosenviadospelosnóssensores edisponibilizá-losparaumobservadorexternoa

RSSF, o nó sorvedouro.

Entre aspossíveis apliaçõesdasRSSFs podemos itar:

•

Apliações militares: As RSSF podem ser utilizadas em operações militares para

diversosns,omo: rastreamento e monitoração detropas inimigas; monitoramento de

áreas para deteção de radioatividade e gases tóxios; ontrole de fronteiras, aptação

de omuniação sem o detropas inimigas, dentreoutras.

•

Monitoração de ambientes: Devido às suas araterístias, omo pequenas

dimen-sões,apaidadedeleituradedadosfísioseomuniaçãosemo,osnóssensorespodem

serutilizadosna monitoração deambientes dedifíilpenetraçãohumanaou degrandes

dispositivos de monitoramento. As RSSF podem ser utilizadas por exemplo, para a

eventos físios de uma oresta tropial. Esses dados podem ajudar na preservação de

tais orestas, ajudando no ontrole defoosde inêndioentreoutros.

•

Apliaçõesmédias: Àmedida queosnóssensorestemseutamanhoreduzido, novas

apliaçõessetornarãopossíveis,omopor exemploapliaçõesmédias. No futuro,será

possível oloar nós sensores dentro do orpo de um animal ou até mesmo de um ser

humano, permitindo queeles formemumaRSSFquepoderámonitorar vários aspetos

omo níveis de oxigênio, insulinaou olesterol, além dovolumee tamanho dosórgãos.

Para todasasapliações já onheidasde RSSF, uma araterístiase destaa: a

oope-ração entre os nós sensores. As tarefas de uma RSSFsão basiamente exeutadas de forma

ooperativa entre todososnós sensores. Cada sensoré responsável por umaparte da tarefa

prinipal da RSSF, e eventualmente responsável por algumas tarefas administrativas, omo

porexemploroteardadosdeoutrosnóssensoresouserolíderdeumagrupamento denós

sen-sores(luster-head),responsávelpororganizarosnóssensoresdoseuagrupamento ereportar

ao sorvedouroosdados reolhidos pelos nóssensores doagrupamento.

Os nós sensores, prinipaisomponentes da RSSF, são elementos omputaionais de

pe-quenas dimensões, ombaixo poderde proessamento,memória limitadaeomuniação sem

o. Devido às suas dimensões reduzidas, a quantidade de energia que um nó sensor pode

arregar é limitada. A poua quantidade de energia é o prinipal fator limitante do uso de

um nósensor,e a eonomiade energia é oprinipal foode pesquisana áreade RSSF.

AsaraterístiasdasRSSFsomadasàsrestriçõesinerentesaonó sensorabrem inúmeras

possibilidadesdepesquisa,visandoaprimorarténiasde redesadho arealidade dasRSSF.

Aestrutura ea modelagemdoselementosque ompõemasRSSFs,onó sensoreo

sorve-douro, sãodefundamental relevâniapara essetrabalho. Naspróximas seçõesdesreveremos

osprinipaisomponentesdesseselementos,bemomoalgunsmodelosutilizadosparasimular

2.1 Sensor

Nesta seção desreveremoso modelo de sensorutilizado nesse trabalho e os modelos de

on-sumo de energia epropagação de sinaladotados.

Nossomodeloébaseado nalinhadenóssensoresomerialmentedisponíveis,alinha

Mo-tes. AlinhaMotesfoidesenvolvidapor pesquisadoresdaUniversidadedeBerkeley(otsdust ,

2003 ). Atualmente a linha é omerializada pelo fabriante Xbow (XBOW, 2006b ).

Den-tre os modelos disponíveis omerialmente destaam-se os nós sensores Mia2 (Figura 2.2 ),

Mia2DOT e a mais nova geração o MiaZ (Figura 2.3 ). Na Figura 2.1 é mostrado o RF

mote, oprimeiro sensorda linha.

Figura2.1: Primeira geração dalinha Mote(RFMote).

Figura2.2: Miamote 2.

O nó sensor é o prinipal omponente omputaional de uma RSSF. Cada um desses

Figura2.3: MiaZ.

Figura2.4: Elementosque ompõemumnó sensor.

2.1.1 Componentes

2.1.1.1 Proessador

O proessador de um nó sensor apresenta inúmeras restrições quanto a instruções e

prini-palmente quanto a apaidade omputaional. A linha Motes é equipadaom proessadores

AtmelATMega128L ujasaraterístias estãolistadas natabela2.1 . Esseproessador

pos-suiumaarquiteturaRISComumonjuntode133 instruções,amaioriasendoexeutadaem

um únioilode lok.

Freqüênia 4ou 8MHz

Memóriade programa 128 Kbytes

Memóriade dados 512 Kbytes

2.1.1.2 Plaa de sensoriamento

A plaa desensoriamento é responsável pela função demonitoramento donó sensor. Ela éa

responsável por extrair alguma informação do ambiente sobre eventos de interesse. Existem

hoje umagrandevariedade detiposde plaasdesensoriamento queolotamdiferentes dados

omo: temperatura, luminosidade, pressão, níveis de gases no ar, aeleração, magnetismo,

GPS, aústio entre outros.

Um sensorgeralmente possuium tipo espeío de monitoramento, porém algumas

pes-quisas reentes sugerem a utilização de maisde umadessas plaas por sensordando a ada

sensor a possibilidade de monitorar mais de um fenmeno (Dasguptaet al.,2003 ). Existem

nomerado algumasalternativasparamulti-sensoriamento por umúniosensor,porexemplo

a plaade aquisiçãode dadosMICA2DOT Multi-Sensor Module da XBOW(2006b ).

2.1.1.3 Rádio

Orádio dosnóssensores dalinha Motes operam emmúltiplos anais, divididosemfaixasde

freqüênia distintas. O rádio possui apaidade de envio de dados om diferentes potênias

de transmissão,aumentando oudiminuindoo raiode alanedo sinal. Segundo ofabriante,

o rádio dalinha Motespode alançarde 75 a100 metros emumambienteaberto.

2.1.1.4 Bateria

Todos os elementos desritos anteriormente são onsumidores de energia do nó sensor. A

energia paraessesdispositivosé forneida pela bateria. A linha Motesutiliza omofontede

energia duaspilhasdotipoAA.Napróximaseçãoédesritoomodelodeonsumo deenergia

2.1.2 Modelo de onsumo de energia

O nó sensoré um sistemaomplexo de hardware. Paraesse trabalho, oonsumo de energia

dessesistemafoimodeladodeformasimpliadaparaaavaliaçãoexperimental,viasimulação,

de nossaspropostas.

Nesse trabalho onsideramos ino fontes de onsumo de energia entre as tarefas do nó

sensor: transmissão de mensagem, reepção de mensagem, esuta do anal de omuniação,

proessamento, esensoriamento.

Park etal. (2001 ) propõem três modelos de bateriabaseados em seu omportamento de

desarga da energia. Nesse trabalho utilizamos o modelo de bateria om desarregamento

linear, onde a diferença de potenial (medida em Volts) permanee onstante ao longo do

tempo de vida útil da bateria. Esse modelo é uma boa aproximação parao omportamento

de desarregamento debaterias, sualimitaçãoa na onsideração da diferençade potenial

onstante, oque nãoaontee na prátiaemgeral.

A apaidade de umabateria é medida em Ah (Ampere *Hora). Dadoum bateria om

uma apaidade C, e umsistemaom orrente de desarga I, temoso tempode vida útil da

bateria Tdado por:

T

=

C

I

(2.1)

Como utilizamos ummodelo de desarga linear, depois de umperíodo de operação

t

d

,a

arga restante

R

nabateriaé dado por:

R

=

C

t

0

−

Z

t

0

+

t

d

t

0

I

(

t

)

dt

(2.2)

Onde

I

(

t

)

é a orrente onsumida no instante

t

e

C

t

R

=

C

t

0

−

It

d

(2.3)

Naspróximassub-seçõesdesreveremosasequaçõesutilizadaspara o álulodoonsumo

de energia do nósensorparaada uma dasfontes deonsumo tratadas nessetrabalho.

2.1.2.1 Transmissão

O proesso de transmissão, em termos de energia, pode ser simpliado em uma tarefa do

sensorde transmitir dadospor umtempo

t

t

(h)aumapotênia espeiada

p

(dBm).

Aarga onsumidaparatransmissão

(

C

t)

podeser aluladaomo:

C

t(

t

t) =

f

t(

p

)

∗

t

t

(2.4)

Ondea função

f

t

(

p

)

relaionaa potênia de transmissão omaorrenteneessária, dado uma diferençade potenial xa. Para o Mia2, essa relaçãopode serenontrada na

espei-ação doproduto emXBOW (2006a ).

2.1.2.2 Reepção

Oproessodereepção,emtermosdeenergia,émuitopareidoomoproessodetransmissão.

Porém,valelembrarqueparaumaúnia transmissãopodemos tervárias reepções. Uma

mensagem enviada por umnósensoréouvidaportodososnóssensoresqueestiverem dentro

do raio deomuniação donó sensortransmissor.

Considerando a reepção de umamensagem durante o tempo

t

r

(h) em umnó sensor, a

C

r(

t

r) =

I

r

∗

t

r

(2.5)

Onde

I

r

éa orrente requerida paraareepção dedados emumnósensor.

2.1.2.3 Esuta do anal de omuniação

Além dosgastospor transmissão e reepção de dados, o rádio apresenta outra fonte de

on-sumo de energia,a esuta doanal deomuniação.

Orádioneessitaveriarontinuamente oanaldeomuniaçãoparadetetarahegada

de novasmensagens. Paraissoele deve manterligado oseusistemade rádio, a umonsumo

de orrente

I

e

.

Podemos determinar aargaonsumida por umnósensorna esutado analpelotempo

t

e

(h)por:

C

e

(

t

e

) =

I

e

∗

t

e

(2.6)

Consideramos umonsumo de energia nuloquando orádio donó sensorestá desativado.

2.1.2.4 Proessamento

Oproessadorpossuiumonsumo deorrente dadopor

I

p

duranteotempo deseu

funiona-mento.

Aarganeessáriaparamantero proessadordonósensorligado duranteumtempo

t

p

é

C

p(

t

p

) =

I

p

∗

t

p

(2.7)

Consideramos umonsumode energia nuloquando oproessadordo nósensorestá

desa-tivado. Nessetrabalho oproessador estará ativodurantetodo otempoem queorádio oua

plaa de sensoriamento estiverem ativos.

2.1.2.5 Sensoriamento

Por m, a função de sensoriamento também onsome energia na sua tarefa de monitorar o

ambienteparaa apturade valoresreferentesa possíveis eventosfísios observados.

Dado uma orrente

I

s

neessária para realizar o sensoriamento durante um tempo

t

s

, a

arga onsumidaé dada por:

C

s(

t

s) =

I

s

∗

t

s

(2.8)

Nesse trabalho, onsideramos que um sensor ativo realiza sensoriamentos a uma taxa

onstantede 1/20 Hz,e ada sensoriamento dura3 s,ou seja,

t

s

= 3

.

2.1.2.6 Cálulo do onsumo

Dadasasequações2.4,2.5 ,2.6,2.7e2.8temosoonsumodeenergiadeumnósensordurante

um tempo defunionamento

t

dado por:

C

=

C

t(

t

t) +

C

r(

t

r) +

C

e(

t

e) +

C

p(

t

p) +

C

s(

t

s)

(2.9)

2.1.3 Modelo de propagação de sinal

OmodeloadotadoparaapropagaçãodosinaldeomuniaçãosemofoioFree-spae (Balanis ,

2005 ; Lin , 1998 ).

Ofree-spae é ummodelode atenuaçãoda potênia dosinalonde osefeitos deabsorção,

difração, obstrução, refração e reexão sãosuientementeremovidos enão têm efeito sobre

a propagação do sinal. Como o nome india, o free-spae assume que tanto o transmissor

quanto o reeptor do sinal está em umambiente livre. Sendo assim, a perda de sinal nesse

modeloé proporional ao quadrado da distânia entre o transmissor e o reeptor e também

proporional ao quadrado dafreqüênia dosinalde rádio transmitido.

Aperdano free-spae é ausadapeladissipaçãodaenergia sobreáreas grandes,

propori-onalà distâniaafonte emissoradosinaleinversamente proporionalàlei dosquadradosda

radiação eletromagnétia.

A equação da perda no free-spae, paraum tamanho de onda

λ

,uma freqüênia de

pro-pagação de sinal

f

e uma distânia do emissor

R

, e sendo

c

a veloidade de propagação da

luz noambiente onsiderado, é dadapor (Lin ,1998 ):

F S

=

₄

_πR

λ

2

=

₄

_πRf

c

2

(2.10)

Uma forma onveniente de expressar em termos de dB, a perda de potênia do sinal de

propagação em função da distânia

d

entre o transmissor e reeptor, é dada pela seguinte

equação:

F S

(

d

) = 20 log

₁₀

d

+ 20 log

₁₀

f

+

K

(2.11)

2.2 Sorvedouro

Onósorvedouroé umtipoespeialdenó sensor,responsávelpor oletarosdadosdosoutros

nós sensores da rede. Osorvedouro apresenta pratiamente asmesmas araterístias do nó

sensorapresentadasna seção2.1. Nessaseçãoapresentaremos asdiferençasentreo nósensor

e o sorvedouro.

Em modelos de RSSFs atuais, o nó sorvedouro não possui asrestrições de energia do nó

sensor. Eleéonsideradoumdispositivoomapaidade innitadeenergia,elogo, essefator

não é onsiderado nesse trabalho. Isso se deve ao fato de em redes om sorvedouros xos

estarem posiionado na borda do ambiente de sensoriamento eles podem ser inspeionados,

reparados ou substituídos a qualquer momento. Em redes que onsideram os sorvedouros

móveis eles geralmente estão assoiado a um dispositivo om apaidades sostiadas, omo

robos terrestres ou aéreos, e omo aontee no primeiro aso, ossorvedouros podemser

ins-peionados, reparadosou substituídos.

Além disso, onsideramos o sorvedouro omo um dispositivo móvel. Ele possui a

apa-idade de se movimentar em todas as direções. Independente da forma de movimentação,

onsideramos aqui que o sorvedouroé apaz de semovimentar emlinha reta de umponto a

outro de umespaçoplanoa umaveloidadeonstante.

Porém, neste trabalho não tratamos questões inerentes a essa movimentação omo por

exemplo instruções para desvio de obstáulos. Consideramos, sempre, que o aminho entre

dois pontosno espaço éuma linhareta enenhumobstáulo existenesse aminho.

Alguns trabalhos de pesquisa,na área de robótia, ofereem suporteao requisito de

mo-vimentação do sorvedouro. O projeto CotsBots (CotsBots , 2006 ) é um exemplo. Nele, um

nó sensoré aopladoaumveíuloterrestredepequenasdimensõesomomostraagura2.5.

Umaoutrapossibilidade éautilizaçãodeveíulosaéreos,omoporexemplo umdirigível.

Figura2.5: Sorvedouro móvelterrestre- Projeto CotsBots.

Trabalhos relaionados

Nesse apítulo faremos uma revisão bibliográa dos diversos problemas abordados nesse

trabalho, abordando os artigos maisrelevantes e referênias a trabalhos reentes sobre ada

um deles. Aqui tratamos algumas publiações sobre mobilidade, ontrole de densidade e

protoolos de omuniação em RSSF, além dos problemas de otimização ombinatória que

dão baseparanossas soluções.

3.1 Mobilidade em RSSF

Diversostrabalhosvemutilizandodispositivosmóveis,prinipalmentesorvedouromóvel,para

melhorarodesempenhodasRSSF.Geralmenteoobjetivodessesestudoséoaumentodotempo

devida dessasredes(Wang etal. ,2005a ;Jeaetal. ,2005 ;Gandham etal.,2003;Wang etal.,

2005b ; Chakrabarti etal. ,2003 ;Jain etal.,2006 ).

Essestrabalhospodemserlassiadosdeaordoomotipodemobilidade dodispositivo

móvel: ontrolável enão ontrolável; previsível enão previsível.

Umdispositivo móvel pode tersua mobilidade ontrolável ou não,podendo por exemplo

Paraosdispositivosommobilidade não ontroláveis, podemos dividi-losemom

mobili-dade previsívelenãoprevisível. Noexemploanteriorémuitoompliadopreveramobilidade

de um animal em um ambiente livre, mas é fáil prever a mobilidade de um nibus, por

exemplo, apesar de umnibusem umalinha publiade transportenão poder serontrolado

pelaapliação daRSSFpara melhoroletarseus dados.

Em Shahetal. (2003 ); Jainetal. (2006 ); Small eHaas (2003 ); Juang etal. (2002)

ele-mentosmóveis presentes noambiente desensoriamento sãoutilizadosparamovimentaçãodo

sorvedouro, omo animais, arros, entre outros. Esses trabalhos utilizam movimentação não

ontrolável enão previsível.

Utilizando um esquema de movimentação não previsível temos uma impossibilidade de

determinar umlimite máximo para a latênia dasmensagens. Isso porque não podemos

de-terminaroaminhododispositivomóvelassimnãopodemosdeterminarquandoeleentregará

asmensagens parao destinonal.

EmChakrabarti etal.(2003 )dispositivosmóveisnãoontroláveis sãoutilizados, poréma

movimentaçãodessesdispositivospodeserprevista. Umarededesorvedourosmontadossobre

umarededetransportespúblios, omnibusompadrãodemovimentaçãobemdenidos,é

utilizada. Osnóssensores dessarededeterminamosperíodosemquetêmonetividade om

um desses dispositivos móveis e se programam para ativar seus rádios nesses períodos para

reportar seus dados.

Dispositivos móveis ontroláveis são utilizados em alguns trabalhos omo Kansaletal.

(2004 ); Jeaetal. (2005 ) onde robs são utilizados para movimentação do sorvedouro. A

veloidadeé ontrolada paraaumentar a eiêniada RSSF.

Alguns trabalhos utilizam elementos móveis somente para transportar dados de um nó

para outro, em redes onde ada nó tem um pequeno raio de omuniação. Em Zhaoet al.

(2004 ) todos os elementos são móveis, tanto o sorvedouro quanto os nós sensores. Eles se

relay. Ele se posiiona ao lado de um nó sensor para substituir esse nó nas suas tarefas de

roteamento de dadosduranteum ertoperíodo. Assim durante esse períodoo nó sensora

desobrigado de rotear mensagens podendo eonomizar energia. Esse trabalho apresenta um

limiteteórioparaamelhoria dotempo devidadaredeemumfatorde4,omparado auma

RSSF totalmente estátia. Esse aumento é enontrado omo relaymóvela no máximo dois

hopsde distânia do sorvedouroxo.

Muitostrabalhostratamamobilidadedosorvedouro,propondoprotoolosdeomuniação

quedêemsuporteparaamobilidade,maspouaatençãoédadaaoproblemadeplanejamento

de trajetória do sorvedouro. O planejamento de trajetória do sorvedouro móvel é um

pro-blema pouo explorado na literatura. Em Jeaetal. (2005 ) é assumido uma trajetória linear

parao sorvedouromóvel, reduzindo oproblemado planejamento detrajetóriaaoontrole de

veloidadeomaqual osorvedourosemove. TambémemKansaletal.(2004) éapresentado

umnovo esquemadeontroledeveloidade,porémsomenteissoéonsideradonoontrolede

trajetória.

Nessetrabalho, abordaremos o planejamento de trajetóriado sorvedouro utilizando

pro-blemas lássiosde otimizaçãoombinatória.

3.2 Controle de densidade

Em umaRSSFdensa, podemos tervários nóssensorestrabalhando sobre umamesmaregião

emummesmointervalodetempo. Issogeradadosredundantee,prinipalmente,maistráfego

na rede(Cardei etal. ,2002 ).

Meanismos de ontrole de densidade gereniam o estado dos diversos nós da rede

dei-xando somente um pequeno onjunto deles ativos, reduzindo essa redundânia. Diversas

propostas de ontrole de densidade existem na literatura, tanto entralizadas (Cardei etal.,

2002 ; Slijepevie Potkonjak, 2001 ; Nakamura etal. , 2005b ) quanto distribídas (Ye etal.,

Em Slijepevie Potkonjak (2001 ) uma heurístiaentralizada é proposta paradividir o

onjunto de nós sensores em sub-onjuntos mutuamente exlusivos, onde ada sub-onjunto

de nóssensoresobre totalmentea áreadesensoriamento. Oobjetivo émaximizar o número

de sub-onjuntos. Essa estratégia é apaz de aumentar o tempo de vida da RSSF em até

n

vezes,onde

n

éo número de sub-onjuntosemque arede foidividida.

Zhange Hou (2005 ) propuseram o algoritmo distribuído OGDC. A idéia básia do

algo-ritmoémanternóstemporariamente inativos,enquantoelesnãosãoneessáriosparagarantir

obertura e onetividade da RSSF. Cadanó sensorsabe suaposição geográa,mas utiliza

somente informaçõesloais paradeidir seestará ativo ou não no próximoperíodo de

funi-onamento darede. OOGDCrequerumrelógioglobal sinronizado parainiiarada período

simultaneamente emtodososnóssensores.

Em Siqueira etal. (2006 ) uma proposta de integração ross-layer entre o algoritmo de

ontrole dedensidade OGDCeoalgoritmoderoteamento EFTREE(Figueiredo et al. ,2004 )

éapresentado. Comoresultadodessaintegraçãoháumganhoonsiderávelnataxadeentrega

de mensagens, já que sensores desativados pelo ontrole de densidade não são onsiderados

para oroteamento, sendoa deisãodo ontrole de densidade e roteamento integrada.

Em Megerian ePotkonjak(2003 );Nakamura et al.(2005b )sãopropostos algunsmodelos

de Programação Linear Inteira (PLI)paraobertura e agendamento de tarefaspararesolver

o problema de obertura em RSSFs. Li etal. (2002 ) propõem umalgoritmo distribuído

uti-lizando um grafo da vizinhança do nó para resolver o problema de obertura omo denido

em Meguerdihianetal. (2001 ).

Nessetrabalho, o problemade ontrole de densidade será modelado omo o problemade

otimização lássiode obertura de onjuntos. Através dessa téniaa obertura ótima será

3.3 Protoolos de omuniação

Nessetrabalho, abordaremos muitopouoosprotoolosde omuniação. Apoiaremos nossas

abordagens em protoolos já existentes, omo protoolos de roteamento de mensagens em

árvores, omo o algoritmo apresentado em Figueiredo etal. (2004 ), e protoolos de amada

de enlae omo o 802.11 e esquemas de transmissão de dados omo o TDM (Time Division

Multiplexing).

A maioria dos trabalhos em RSSF om sorvedouro móvel utiliza omuniação um-salto,

onde osnóssensores omuniam-se somenteom o sorvedouro de forma direta. Porém, essa

restrição impõea redeumalto atraso naentrega dasmensagens.

Algumas propostas reentes utilizam omuniação multi-saltos om sorvedouro móvel,

omo por exemplo o trabalho Gandham etal. (2003 ). A omuniação multi-saltos é a mais

utilizada emRSSFsemmobilidadedosorvedouro. Nessasredes,osnóssensoresdevemrotear

mensagens de outros nós para que essas heguem a seu destino nal. Alguns algoritmos de

roteamento destaam-senesse enário.

A área de algoritmos de roteamento provavelmente é a mais estudada em RSSF. Nesse

ampo temos diversas propostas de roteamento paradiferentes ns. Revisão de publiações

sobre algoritmos deroteamento podemserenontradas emRajaraman(2002 )

3.4 Agrupamento

Em muitas pesquisas, o agrupamento (luster) de nós sensores é posposto para organizar

hierarquiamente a topologia das RSSFs. Essa organização tem levado a uma variedade de

melhorias nasRSSFs (Heinzelmanetal., 2002).

Nossasabordagenspossuemduasestratégiasdeagrupamentodenóssensores. Naprimeira

máximo umnúmero

λ

desaltos, om raizem

p

sensores.

A primeira abordagem é modelada omo o problema min-size k-lustering

pro-blem (Bilò etal. , 2005), onde é dado um onjunto

S

de sensores e

dist

(

s

i

, s

j

)

é uma função que determina a distânia entreossensores

s

i

e

s

j

,e o objetivo é onstruir o menornúmero

de agrupamentos possível om raio de ada agrupamento limitado por

R

. Essa estratégia é

bemsimilaraadotadaemHeinzelman et al.(2002 ),porémnaqueletrabalho aonstruçãodos

agrupamentos é distribuídosem garantiade ótimalidade.

A segunda abordagem é modelada omo o problema inverse

p-Center (Mirhandanie Franis , 1990), onde é dado um onjunto

S

de sensores, e o

objetivoé identiar umnúmeromínimo

p

deraízesde árvores talquetodososnóssensores

podemseomuniar, omumnúmero limitado

λ

de saltos.

Aformação de

p

árvores ésimilaraformação daárvoredeoleta dedadosdosalgoritmos

de roteamento em árvore omo em Figueiredoetal. (2004 ). Nossa abordagem explora uma

ou mais árvores de oleta, sendo esse enário o preferenial. A existênia de mais de uma

árvorede oleta estáligada ao limite máximo de saltos.

3.5 Problemas de Otimização ombinatória

ParaasoluçãodosproblemasdeRSSFabordadosnessetrabalho,basiamenteutilizaremosa

solução dealgunsproblemasdeotimizaçãoombinatória. Problemas,omoontrolede

densi-dade, planejamento de rotaeagrupamento de nóssensoresserão modelados omoproblemas

lássios eresolvidos atravésalgoritmos apresentados na literatura.

3.5.1 Caixeiro viajante

O Problema do Caixeiro Viajante (PCV) (Traveling Salesman Problem) é um dos mais

tradiionais e onheidos problemas de otimização ombinatória. Dado um onjunto de

i-dades e suas onexões om seus respetivos pesos, o problema onsiste em enontrar o ilo

hamiltoniano (ilo que passe uma únia vez por todas as idades) de menor usto. Mais

formalmente, dado um grafo

G

= (

V, E

)

, onde

V

=

{

1

, ..., n

}

é um onjunto de nós e

E

é o onjunto de arestas que ligam esses nós om seus respetivos pesos

d

ij

, o problema

on-siste em ahar o menor ilohamiltoniano possível em

G

(Wagner,1969 ; Christodes ,1979 ;

Nemhauser e Wolsey, 1988).

Nas déadas de 1930 a 1950 diversos artigos trataram o problema. O mais signiativo

deles(Dantzig etal.,1954 )apresentaasoluçãoparainstâniasdoproblemaomaté49idades

utilizandoumaformulaçãodeProgramaçãoLinearInteiraMista(PLIM).Porémaformulação

apresentadaporeles possuiumnúmeroexponenialderestriçõesemrelação à quantidadede

vérties.

De1950atéosdiasdehoje oPCVontinua sendoextensivamenteestudado. Atualmente

amaiorinstâniauja soluçãoótimaéonheida possui24.978idades,representando um

i-lo sobre pontos da Suéia (Traveling Salesman ProblemHome-Page - PrinetonUniversity ,

2003 ). Nessapágina podemser enontradas informações reentes sobre oTSP,omo

instân-iasdeteste,instâniasreaisomidadesdedeterminadasnaçõesdomundoomo: Alemanha,

Suíça, EstadosUnidoseArgentina. Asoluçãodessasinstânias,informaçõessobrealgoritmos

e soluçõesparao problematambémpodemserenontradas no mesmoendereço eletrnio.

Emnossotrabalho,devidoaoagrupamento dosnóssensores,oproblemade planejamento

de rotas é limitado a pouas idades, sendo possível tratar a solução dessas instânias om

algoritmos exatos, semportanto aarretar umtempode omputaçãoelevado.

3.5.2 Cobertura de onjuntos

obertura entralizado é disponibilizada.

Oproblemadeoberturadeonjuntos(Setoverproblem)onsisteemenontrarum

sub-onjunto de pontosqueubram todo oespaço deobservação. Mais formalmente, o problema

é dendo omo segue: Seja um onjunto

U

de pontos e um onjuto

S

de sub-onjuntos de

U

, uma obertura mínima é dada por um sub-onjunto

C

⊆

S

talque {

S

_C

i

,

∀

C

i

∈

C

}

=

U

e

|

C

|

=

k

.

Asoluçãodoproblemapodeserdadapormeiodeprogramaçãomatemátia,resolvendo-se

o seguintemodelo:

minimizar

X

s

∈

S

y

s

Sujeito a:

X

s

∈

S e d

∈

D

s

x

d

_s

≥

1

,

∀

d

∈

D

x

d

_s

≤

y

s

,

∀

s

∈

S

∀

d

∈

D

s

x

∈ {

0

,

1

}

y

∈ {

0

,

1

}

onde

S

éoonjunto desensorese

c

éoraiodesensoriamento deadasensor. Cadasensor

obre umsub-onjunto de pontosde demanda

D

s

=

{

d

∈

D

|

dist

(

d, s

)

≤

c

}

,onde

dist

(

d, s

)

é a distânia eulidiana entre oponto de demanda

d

∈

D

eo sensor

s

∈

S

.

Umavariante do problemade obertura de onjuntos éo problema de obertura de

on-juntosponderado,onde adaelemento possuiumpeso(

w

s

)parasuautilizaçãona obertura.

Com isso, o objetivo é minimizar a soma dos pesos ao invés de minimizar o número de

3.5.3 p-Centros

O problema de p-Centros onsiste emloalizar

p

entros em umgrafo de modo a minimizar

a distânia máxima entre umnóqualquer desse grafoa algum dos

p

entros.

Umapliaçãoomumdoproblemade

p

-Centros éaloalizaçãodeunidades deserviçosde

emergênia emredesdetransporte,porexemplo,loalizar

p

batalhõesdoorpodebombeiros

emumaomunidaderuraldemaneiraaminimizarotempomáximoderespostadeumdesses

p

batalhõespara todasasfazendas daomunidade.

Um problema inverso ao

p

-Centros, o inverse p-Center é utilizado em nossas

aborda-gens para a loalização de

p

pontos de parada parao sorvedouro móvel. Diferentemente do

problema de

p

-Centros, onde o objetivo é loalizar

p

nós, no p-Centros inverso o objetivo é

determinar e loalizar o menor número

p

de entros queatendam todos osnós de demanda

do grafoom umadistâniamáxima

λ

.

Oproblemade p-Centros invertido é omumente resolvidoporumaredução ao problema

deoberturamínimadeonjuntos, omodesritoemMirhandanie Franis(1990 ). Comisso

Abordagens

Neste apítulodesreveremososproblemastratadoseaformadeintegração entreeles quedá

origem adois métodosparaa organizaçãode RSSFs omontrole de densidade e sorvedouro

móvel, oSHS eo MHS.

O SHS utiliza uma rede um-salto explorando ao máximo a energia disponível nos nós

sensores para a oleta de dados. Já o MHS utiliza umesquema de omuniação multi-saltos

omnúmerode saltoslimitados, explorandoaenergiadisponívelnosnóssensoresparaoleta

de dadose tarefasde roteamento de mensagens.

Nosmétodos propostos aqui, é assumido que ada nó sensorsabe suaposição geográa

e que o sorvedouro onhee a posição de todos osnós sensores. Apesar de não tratarmos o

problema de loalização dos nós sensores, existem diversaspropostas na literatura para tal,

omo Oliveiraetal. (2005); Ye (2006 ). Além disso, o raio de omuniação do sorvedouro e

dosnóssensores sãoxos e nãovariamoma argada bateria.

Naseção4.1deniremos ossub-problemastratadosnessetrabalho. Naseção4.2

4.1 Denição dos problemas

Nesse trabalho, onsideramos os problemas de ontrole de densidade e mobilidade do

sorve-douroemRSSFs. Asoluçãoindividualdeadaumdessesproblemastrazdiferentesbenefíios

para às RSSFs, omo aumento no tempo de vida, menor atraso na entrega de mensagens,

apaidade de operação em redes desonexas, entre outros. Nas próximas sub-seções

deta-lharemos omoada umdessessub-problemasfoiabordadoeassoluçõesadotadasparaada

um.

4.1.1 Controle de densidade

Omeanismodeontrolededensidadegereniaaredundâniadarede,deixandoumonjunto

mínimo de nós sensores em atividade em determinado período de tempo (Ye etal., 2002 ;

Quintãoetal. , 2005 ). Como os sensores não am ativos o tempo todo, o tempo de vida

dos nóssensores é estendido e onseqüentemente o tempo de vida da rede também. Osdois

métodosutilizamo mesmomeanismo deontrole de densidade.

Em nossa abordagem, o ontrole de densidade é feito pelo sorvedouro, de forma

entra-lizada. Assumimos que o sorvedouro sabe a posição de todosos nós sensores, e é apaz de

oletar informações sobre o estado de energia de todos os nós. Com isso o sorvedouro pode

realizar um ontrole de densidade entralizado de forma ótima, onsiderando o estado de

energia de ada nó sensor.

O problema do ontrole de densidade é modelado omo o Problema de Cobertura de

Conjuntos(Garey e Jonhson ,1979 ). Primeiramente a áreade monitoramento é disretizada,

de forma queada ponto representa uma pequena porção dessaárea, formando umonjunto

de pontos

D

quedevemsermonitorados.

Seja

S

o onjunto de sensores e

C

o raio de sensoriamento de ada sensor. Cada sensor

Assoiado a ada sensor temos um usto de ativação

w

s

, que é dado por uma função

inversamente proporional à energia de ada sensor

s

∈

S

, priorizando assim sensores om

mais energia para ativação. O objetivo é minimizar o usto de ativação dos nós sensores,

sujeitoà restrição de obertura detodosospontos dedemanda.

A saída do problema é um onjunto

Y

, onde

y

s

india se o sensor

s

∈

S

estará ativo

no próximo período de operação da RSSF. Com a denição aima podemos representar o

problema através do modelo de Programação Matemátia para o problema de obertura de

onjuntos:

minimize z

=

X

s

∈

S

w

s

y

s

(4.1)

Sujeito a:

X

s

x

d

_s

≥

1

,

∀

d

∈

D

(4.2)

x

d

_s

≤

y

s

,

∀

s

∈

S

∀

d

∈

D

s

(4.3)

x

∈ {

0

,

1

}

(4.4)

y

∈ {

0

,

1

}

(4.5)

Nomodeloasrestrições4.2garantemaoberturadetodosospontosdedemanda(

d

∈

D

)

quepodemseratendidosporpelomenosumnósensor. Asrestrições4.3garantem queseum

nó sensor(

s

∈

S

) for utilizado paraobrir umponto dedemanda (

d

∈

D

) então

y

s

= 1

.

Asdeisões de ontrole de densidade são implantadas na rede pelo sorvedouro móvel. O

sorvedouro, emnossaabordagem,éoúnioelemento quetemonetividadeomtodososnós

sensores da RSSF. Porém essa onetividade é ativada ao longo do tempo. No momento em

que o sorvedouroestá loalizado emumagrupamento de nóssensores, todososnóssensores

desseagrupamento temonetividadeomosorvedouro, ereebemasdeisõesdeontrolede

sorvedouro toma as deisões de ontrole de densidade e as implementa em ada sensor à

medida queperorretodososagrupamentos. Quando osorvedouro requisita osdadosdo nó

sensor, eleo avisa searáativo apósreportar seus dados.

Essaimplantaçãodasdeisõesdeontrolededensidadepodemlevarafalhasmomentâneas

na obertura da área monitorada. Por exemplo, onsidere que o sensor

s

1

é desativado no

tempo

t

1

e o sensor

s

2

é ativado no tempo

t

2

> t

1

e

D

s

1

=

D

s

2

. Assim, o sub-onjunto de pontosde demanda

D

1

_⊆

_D

s

1

que não é sensoriado por outro sensorativo ará desoberto

durante ointervalode tempo

[

t

1

, t

2

]

.

Quandoumsensorédesativadopeloontrolededensidade,asuafunçãodesensoriamento

é desativada. O proessador estará ativo sempre que a função de sensoriamento ou o rádio

estiverem ativos. O rádio dos nós sensores é ativado somente quando o sorvedouro está no

agrupamentoqueessesensorseenontra. Issopodeserfeitoatravésdemétodosquedeixamo

rádioembaixaenergiaatéreeberumestímuloexternoparaativaroseurádio(Polastre etal.,

2004 ; Correia etal.,2005).

4.1.2 Agrupamento

Os dois métodos propostos possuem requisitos para agrupamento dos nós sensores para

fa-ilitar a oleta de dados pelo sorvedouro móvel. Tanto em um quanto em outro método é

desejável que a área de monitoramento seja oberta por um onjunto mínimo de

agrupa-mentos, o que reduziria a quantidade de pontos de oleta para o sorvedouro possivelmente

reduzindo o tamanho desuas rotas.

4.1.2.1 SHS - Redes single-hop

No SHS,osnóssensoresdevem seragrupadosemagrupamentosomraiomáximo

R

,ando

osnóssensores geograamente próximosnomesmoagrupamento. Nessemétodoo problema

de agrupamento foi modelado omo o problema min-size k-lustering problem (Bilò et al.,

distânia entre ossensores

s

i

e

s

j

. O objetivo é onstruir o menor número de agrupamentos

possível,onde o raiode ada agrupamento é limitadopor

R

.

Para onstruir tais agrupamentos utilizamosum algoritmo baseado no método da árvore

geradora mínima (Minimumspanning tree method),queéumaténiadeagrupamento

aglo-merativa hierárquia (Jain , 1991 ). Dadoum onjunto

S

de nós sensores,o algoritmo guloso

omeça onstruindo

|

S

|

agrupamentos entrados emada umdosnóssensores em

S

.

Iterativamente, osagrupamentos mais próximos

c

i

e

c

j

são unidos em umúnio

agrupa-mento

c

r

see somente se

raio

(

c

r)

≤

R

,onde

raio

(

.

)

india o raio do agrupamento indiado. O proesso iterativo é interrompido quando nenhum agrupamento

c

i

e

c

j

pode serunido. O

proedimento émostrado no Algoritmo4.1.

Algoritmo 4.1: ClusterizaçãoSHS(Nós sensores

S

)

CLUTERS=S; 1

repeat 2

Calula oentrodo

i

-ésimoluster,

∀

i

∈

CLU ST ERS

; 3

Calula amatrix de distâniaentre oslusters

M

; 4

Enontrao menorelemento nãonulo

(

c

i

, c

j

)

da matriz

M

; 5

R

r

=

raio

(

c

r

)

,onde

c

r

é o lusterformado pelajunção doslusters

c

i

e

c

j

; 6

if (

R

r

≤

R

) then 7

CLU ST ERS

=

CLU ST ERS

−

c

i

−

c

j

∪

c

r

; 8

end 9

until

R

r

> R

; 10

returnCLUSTERS 11

Figura 4.1: Cenário omagrupamento parao SHS.

4.1.2.2 MHS - Redes multi-salto

NoMHS,osnóssensoressãoagrupadosformandoárvoresdeoletadedadosomprofundidade

limitada. Nesse método o problemade agrupamento foi modelado omo o problemainverse

p-Center (Mirhandanie Franis ,1990),ondeédadoumonjunto

S

desensores,eoobjetivo

é identiar umnúmero mínimo

p

de entros tal que oselementos de ada entro podem se

omuniar,omum número limitado

λ

de saltos.

Para onstruir os agrupamentos em forma de árvore exigidos pelo MHS, utilizamos o

algoritmo desrito em (Mirhandanie Franis , 1990 ), onde o problema inverse p-Center é

reduzido ao problema de obertura de onjunto. Dado um grafo

G

= (

S, B

)

, onde

S

é o onjunto denóssensorese

B

asarestasquerepresentamosenlaesdeomuniaçãoexistentes

entre osnóssensores, onstruímos a matriz

A

onde

a

ij

é igual a1 se o sensor

i

∈

S

tem um

aminho em

G

até o sensor

j

∈

S

om no máximo

λ

saltos e 0 aso ontrário. Seja

X

p

o

sub-onjunto de

p

sensores esolhidosomo entros. O sub-onjunto

X

p

é obtido resolvendo

o problema de otimização (obertura mínima de onjuntos)

X

P

=

min

{

k

⊆

S

|

P

a

ik

x

k

≥

1

∀

i, x

k

∈ {

0

,

1

}}

.

Figura 4.2: Cenário omagrupamento parao MHS.

Essa onguração topológia da rede é disseminada ao agrupamento quando o sorvedouro

está posiionado sobre a raiz de uma árvore espeía e então envia a onguração para os

nós sensores da árvore. O sorvedouro envia uma mensagem om a onguração da árvore

para os nós sensores, os nós sensores que reebem a mensagem e fazem parte da árvore,

guardam essa mensagem e a propaga para seus vizinhos, os nós sensores que não fazem

parte somente ignoram essa mensagem. Esse proedimento reursivo onstroi a ávore de

oleta dedadosde formapareida omooorreemmétodosderoteamento emárvoreomoo

EFTREE (Figueiredo etal.,2004 ).

4.1.3 Controle de mobilidade do sorvedouro

O planejamento eiente de rotas para mover o sorvedouro sobre os agrupamentos de nós

sensores é um problema entral em nossos modelos. Esse planejamento tem um impato

signiativo emalgumasdasmaisimportantesmétriasemRSSFs,omoo atrasonaentrega

das mensagens e a taxa de suesso na entrega de mensagens. O sorvedouro móvel preisa

visitarada agrupamento de modoaminimizara perdademensagensporfaltadeespaço em

atrasonaentregadosdadosoletadospelosnóssensores,poisosnóssensorespreisamesperar

pelosorvedouro parareportá-los.

Se o tempo que um sensortem de esperar pelo sorvedouro para reportar seus dados for

muito longo, algunsdadospodemterdeser retiradosdo buer paraaomodar outros novos.

Por isso, o planejamento de rotapara movimentação do sorvedouro é umaimportanteparte

deste trabalho.

Osdoismétodospropostosdividemoonjuntode nóssensores

S

emsub-onjuntos

(agru-pamentos)disjuntos,eosorvedouropreisavisitaradaumdessesagrupamentosparaoletar

dados. No método SHS, o sorvedouro preisa visitar o entro de ada agrupamento, e no

método MHSo sorvedouropreisavisitar araiz de ada árvore.

Nós modelamos o problema de planejamento das rotas omo o Problema do Caixeiro

Viajante(Dantzig etal.,1954 )(PCV)paraosdoismétodos. Cada agrupamento émodelado

omoumaidadedoPCVeasdistâniaseulidianasentreosagrupamentossãousadasomo

medidas de distânia. A solução do PCV fornee o planejamento da rota para o sorvedouro

móvel.

Existem diversos modelos matemátios e algoritmos para a solução do PCV de forma

ótima. Utilizamos o modeloabaixo para suasolução, apesar de suas limitações, ele é apaz

de resolverinstâniasdo tamanho dasenontradas nosnossosmodelos omputaionais. Seja

o grafo

G

= (

V, E

)

então oPCV podeser formulado omo:

minimizar

X

(

i,j

)

∈

E

d

ij

x

ij

Sujeito a:

X

i

∈

V

x

ij

= 1

,

∀

j

∈

V

X

j

∈

V

X

ij

∈

E

x

ij

<

|

N

|

,

∀

N

⊂

V

x

ij

∈ {

0

,

1

}

,

∀

(

i, j

)

∈

E

Omodelo aima tem omosaída o planejamento darota do sorvedourosobre os

agrupa-mentosde nóssensorespara osdoismétodospropostos.

4.2 Arquiteturas de rede

Ossub-problemas apresentados sãotratadosemdoismétodosparaotimizaçãodoontrole de

densidade e ontrole de mobilidade do sorvedouro. Os doismétodos, o SHSe o MHS,fazem

usoda solução dossub-problemas apresentados deforma integrada. Nasduaspróximas

sub-seçõesapresentamos o método SHSe o MHSdetalhadamente.

4.2.1 SHS - Redes um-salto

Alguns trabalhos daliteratura, omo (Kimetal., 2003 ),mostram que emRSSFs om

omu-niação multi-saltos o roteamento de mensagens é um grande responsável pelo onsumo de

energia. O usto energétio de manter o rádio ligado, o usto para a transmissão e para a

reepçãodedadosparaoroteamentodedadosdeoutrossensoresontribuemparaoonsumo

de energia de nóssensores.

Para eliminaro onsumo de energia provoado peloroteamento de dados, diversos

auto-res(Shah et al.,2003 ;Gandham etal. ,2003 ;Kansal etal. ,2004 ; Jeaetal.,2005 ; Kimet al.,

2003 ; Wang etal., 2005a ) utilizam sorvedouro móvel para busar os dados dosnós sensores

om somente um-salto,evitando oroteamento dedados pelos nóssensores.

Neste trabalho propomos o métodoSHS (single-hop strategy), queutiliza uma estratégia

de omuniação um-salto,agrupando osnóssensores paraminimizar oaminho de oleta de

onde

R

é oraio de omuniação dosnóssensores edo sorvedouro.

Opreçopagopelareduçãodoonsumodeenergiaé omaior atrasonaentregadas

mensa-gens ao sorvedouro móvel. A veloidade de um dispositivo móvel geralmenteé muito menor

que a veloidadeque um dado pode trafegar via omuniação sem o. Por isso, a utilização

de omuniação um-salto implia em umamaior atraso naentrega damensagens.

Dadoa onguração em agrupamentos de sensores,onde o sorvedouro é apazde

omu-niar omossensoresomum-salto,podemosimplementarumsistemade omuniação onde

asolisõesde paotessãoevitadas, reduzindoaindamaisaquantidade de energiaonsumida

na entrega de mensagens. No método SHS, osnóssensores omuniam-se om o sorvedouro

através de um protoolo baseado no TDM (Time Division Multiplexing). Esse meanismo

elimina as olisões, aumentando a eiênia da omuniação e suaimplementação neessita

troarpouas mensagensparagereniamento.

Aomuniação entreosorvedouroe umnósensoromeçaquandoo sorvedouroenvia um

sinalavisandoparaumsensorespeíoqueelepodetransmitirseusdados. Quandoosensor

terminar, osorvedouroéavisadoepodeenviarosinalautorizandooiníiode transmissãode

dadosparaoutronó sensor. Oproessoé repetidoatéquetodosossensoresdo agrupamento

tenham seus dadossoliitados.

OsestadosdaRSSFomométodoSHSestãodesritosnagura4.3 , omsuasrespetivas

transições.

Figura 4.3: Método SHS.

No SHS, no iníio da operação da RSSF, o sorvedourodene osagrupamentos e planeja

A primeira tarefa ao iniiar um novo ilode oleta de dados é a solução do ontrole de

densidade. Osorvedouroexeuta omeanismode ontrole de densidade paraimplantá-lo na

RSSF àmedida quevaioletandoosdados dossensores.

Apósesse proedimento iniial,o sorvedouro omeça ase moverpara o primeiro

agrupa-mento do ilo. Ao reebero estímulo dosorvedouro, todososnóssensores do agrupamento

ativam seus rádios. Respeitando o modelo de omuniação TDM, o sorvedouro omeça o

proesso de requisição de dados de ada um dos nós sensores. Cada vez que o sorvedouro

iniia a omuniação om um nó sensor espeío, o sorvedouro envia a deisão de ontrole

de densidade para aquele nó espeío, informando-o se sua função de sensoriamento ará

ativa depois que reportar seus dados. Nesse método o tamanho de ada ilo de atividade

é denido por duas requisições onseutivas de dados pelo sorvedouro. Com isso, os ilos

sãoassínronos, denidos individualmenteparaadanó sensorededuração nãoonheida a

priori

Apósterminar o envio dos seus dados ao sorvedouro, ada nó sensordesativa seu rádio,

e também desativa suas funções de sensoriamento seele não for utilizado paraobertura no

ilo seguinte.

Quandonaliza aoletade dadosdetodososnóssensoresdoagrupamento,o sorvedouro

move-se para o próximo agrupamento no ilo e assim por diante. Ao retornar ao primeiro

agrupamento doilo, éiniiado umnovoilo euma novasolução doontrole de densidade

é gerado parao próximoilo.

Agura4.4mostraumenárioondeométodoSHSéutilizadoparaaorganizaçãodaRSSF,

o ilo do sorvedouroé denidoentreo entrode ada umdosagrupamentosexistentes.

4.2.2 MHS - Redes multi-salto

A restriçãodeomuniaçãoum-salto omsorvedouromóvelemRSSFs aarretaumatrasona