Difusão de dados baseada em atraso e energia para redes de sensores sem fio

DIFUSO DE DADOS BASEADA EM ATRASO E

ENERGIA PARA REDES DE SENSORES SEM FIO

Instituto de Ciênias Exatas

Programa de Pós-Graduação em Ciênia da Computação

DIFUSO DE DADOS BASEADA EM ATRASO E

ENERGIA PARA REDES DE SENSORES SEM FIO

Dissertação apresentada ao Curso de

Pós-Graduação em Ciênia da Computação da

UniversidadeFederaldeMinasGeraisomo

requisitoparialparaaobtençãodograude

Mestre emCiênia daComputação.

DANIEL LUDOVICO GUIDONI

FOLHA DE APROVAÇO

Difusão de Dados Baseada em Atraso e

Energia para Redes de Sensores Sem Fio

DANIEL LUDOVICO GUIDONI

Dissertaçãodefendida e aprovada pelabana examinadora onstituída por:

Dr. Antonio Alfredo Ferreira Loureiro Orientador

Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG

Dra. Raquel Apareida de Freitas Mini Co-orientadora

Pontifíia Universidade Católiade Minas gerais - PUC Minas

Dr. Eduardo Freire Nakamura.

Fundação Centrode Análise Pesquisa e Inovação Tenológia -FUCAPI, AM

Dra. Judith Kelner

Severino e Marlene

Se aos DEBBamigos

Primeiramente, eu agradeço aos meu pais Severino e Marlene, não apenas pela ajuda

naneirapois,seiquefoifeitadeoração,maspeloinentivoemtodasashoras. Horas

essas em que eu tive que ar mais de três meses sem vê-los. Mas sei que mesmo de

longe, muito longe, eles estiveram sempre próximos, ou num telefonema, ou em uma

pree antesde dormir. Obrigadoeespero nãotê-losdeepionado. Nãoposso esqueer

élaro,dosensinamentosdomeuirmãoGustavo,quenoomeçodagraduaçãoteveum

papel importante para que eu aprendesse os oneitos básios de omputação e pelo

tempo em que utilizavao seu omputador para fazer os trabalhos prátios. Agradeço

tambémaminhairmãquerida,quemesmode longe,sempremeapoiouemedeuforças

para realizar esse sonho.

Agradeço em espeial a um amigo, que me introduziu na pesquisa, forneendo os

ensinamentosbásioparaessa arte. Memostradooaminhopara queeu hegassehoje

onde eu estou. Obrigado Fabríio! Seremos sempre amigos.

Agradeçoemespeialtambém,aumamigoquezquandotinha14anosno

CEFET-ES. Desde então, passei a ter mais um irmão, hamado Renato. Agradeço pelo seu

apoio e atenção, me ligando nos momentos que sabia que eu não estava muito bem

para onversarmos e dar onselhos, esses que eu sempre dei muito valor. Não posso

esqueer dos outros amigos, mas não menos importantes: Geléia, Burao, Zaarias,

Sungão, Maumita,Mingau, Ximitsentre outros que estarãosempre emmeu oração.

AgradeçoaosmeusMestres,AntonioA.F.LoureiroeRaquel. A.F.Mini. ÀRaquel

pelapaiêniaedediaçãonainiiaçãoientíaquezemosnagraduação. AoLoureiro

por me dar o prazer de trabalhar ao seu lado. Agradeço aos dois pelos importantes

ensinamentos na pesquisa ou pessoais/prossionais que reebi nesse período e espero

reebernos próximos

4

anos.

Ao alunode DoutoradoMax doValMahado, quetevea paiênia eonança em

meajudarnesseperíodo,sendoparameensinaroNSoumeensinandoafazerpesquisa.

Obrigado.

Agradeçoaos amigos de repúblia e aos olegasdo laboratório. Aos amigosque z

Um dos reursos mais importantes emredes de sensores é aenergia,porque, emgeral,

as baterias dos nós não podem ser rearregadas. Por isso, quaisquer soluções para

essas redes devem ser eientes em termos de energia. O objetivo deste trabalho é

projetar protoolos para disseminar uma informação para todos os nós da rede, ou

seja, soluções para realizar difusão de dados em redes de sensores sem o. Com esse

objetivo,épropostoo Delay and Energy Based Broadasting (DEBB),um protoolo

que utiliza o mapa de energia e o oneito de propagação om atrasos para realizar

a difusão de dados eiente em termos de energia em redes de sensores sem o. O

funionamentobásiodoDEBBésimpleseotimizadoparareduziraargade trabalho

dosnóssensores. Resultadosdesimulaçãomostramaeiêniadoprotooloemrelação

à obertura darede,aonúmero de transmissõeseaoonsumo de energia. Oprotoolo

apresenta a habilidade de ontornar regiões de baixa energia e seu omportamento é

esalávelquando onúmero de regiõesde baixaenergia aumenta. Alémdisso, oDEBB

apresentaummeanismoparaareduçãodalatênia,prinipalproblemadosalgoritmos

One of the most important resoures in wireless sensor networks is energy, sine, in

general,the nodesbatteries annotbereharged. Then,allsolutionstothese networks

must be eient in terms of energy. The goal of this work is to design protools to

disseminate a data to all network nodes, i.e., solutions to perform broadasting in

wireless sensor networks. With this goal, it is proposed the Delay and Energy Based

Broadasting (DEBB),aprotoolthatombinestheonepts offorwardingdelaywith

theenergymaptoperformtheenergy-eientbroadastinginwirelesssensornetworks.

The basioperatingofDEBBissimpleandoptimizedtoreduethe workloadinsensor

nodes. Simulation results revealed the eieny of the proposed protool in relation

to the network overage, number of transmissions and the energy onsumption. The

protool presents the ability to avoid low energy regions and it is salable when the

numberoflowenergyregionsinreases. Besides,DEBBpresentsamehanismtoredue

1 Introdução 1

1.1 Motivação . . . 1

1.2 Denição doProblema . . . 2

1.3 Objetivos . . . 3

1.4 Organização doTrabalho . . . 5

2 Trabalhos Relaionados 6 2.1 Roteamentoem Redes de Sensores Sem Fio. . . 6

2.2 Difusão emRedes de Sensores Sem Fio . . . 8

2.2.1 Trajetory and Energy Based Data Dissemination (TEDD) . . . 8

2.2.2 Dynami Delayed Broadasting (DDB) . . . 10

2.2.3 Broadast Protool for Sensor Networks (BPS) . . . 13

2.2.4 Flooding e Gossiping . . . 14

2.3 Mapa de Energia . . . 15

2.4 State-based Energy Dissipation Model (SEDM) . . . 16

2.5 Conlusão . . . 18

3 Delay and Energy Based Broadasting (DEBB) 20 3.1 Introdução . . . 20

3.2 Energia de Corte . . . 21

3.3 FunionamentoBásiodo DEBB . . . 22

3.4 DEBB Probabilístio . . . 27

3.5 Conlusão . . . 30

4 Resultados de Simulação 32 4.1 Introdução . . . 32

4.2 AvaliaçãodaProbabilidade de Transmissão doDEBB-P. . . 34

4.3 Difusão de Dados em Rede om Energia Homogênea . . . 37

4.4 Difusão de Dados Evitando UmaRegião de Baixa Energia . . . 41

5 Conlusões e Direções Futuras 49

1.1 Formas de omuniação de dados emredes de sensores sem o. . . 4

2.1 Pontos de referênia. . . 10

2.2 Funionamento básiodo TEDD. . . 10

2.3 Exemplo daárea adiionalestimadapelonóA quando o DDB1 éutilizado. 11 2.4 Funionamento básiodo DDB. . . 12

2.5 Funionamento básiodo BPS. . . 14

2.6 Mapa de energia de uma rede de sensores sem o. . . 15

2.7 Diagrama doState-based Energy Dissipation Model. . . 18

3.1 Esolha daenergiade orte. . . 22

3.2 Funionamento básiodo DEBB. . . 23

3.3 Funionamento básiodo DEBB-P. . . 28

4.1 Cenários de simulação. . . 33

4.2 Latênianas diferentes probabilidadesdoDEBB-P. . . 37

4.3 Resultados narede om energia homogênea. . . 38

4.4 Latêniados protoolos. . . 39

4.5 Resultados dentrodaregião de baixaenergia. . . 42

4.6 Resultados fora daregião de baixaenergia. . . 43

4.7 Snapshot dos nós obertos pelos diferentes protoolos utilizando o enário dagura 4.1 (b). Os quadrados branosrepresentam nós que reeberam o paotede difusão. Osquadadospretos representam os nós quenão reebe-ram o paotede difusão. . . 44

4.8 Resultados dentrodas regiões de baixaenergia. . . 46

4.9 Snapshot dos nós obertos pelos diferentes protoolos utilizando o enário da gura 4.1 (). Os quadrados branos representam nós que reeberam o paotede difusão. Osquadadospretos representam os nós quenão reebe-ram o paotede difusão. . . 47

4.1 Parâmetros utilizadosnas simulações. . . 35

4.2 Média e intervalo de onança (valores absolutos) da transmissão,

ober-tura,energiaenósmortos,variandoaprobabilidadedetransmissãomáxima

doDEBB-P.Tx eRx sãoaquantidadedenósquereeberampaotes

trans-mitidosereebidos respetivamenteemuma difusão. En e Nm são energia

médiados nós ea quantidadede nós mortos nonaldasimulaçãoeIC éo

intervalode onança. . . 36

4.3 Média do número de operações, transmissões e obertura da rede emada

1 Algoritmo doDEBB.. . . 25

Introdução

1.1 Motivação

R

edes de Sensores Sem Fio (RSSFs) são redes ompostas porum grandenúmero de dispositivos om apaidade de realizar proessamento, omuniação e

sen-soriamento distribuído (Estrin et al., 1999; Intanagonwiwat et al., 2002, 2000; Pottie

e Kaiser, 2000a,b). Nesse enário, sensores inteligentes oletam dados do ambiente

em queforam inseridose, emseguida,proessam e propagam esses dados para um nó

sink. O sink apresenta uma apaidade omputaional superior a dos demais nós e

sua responsabilidadeéproessar asinformaçõesde sensoriamentoforneidaspelarede,

disponibilizá-laspara observadores externosedisseminar informaçõesde ontrolepara

a rede. As RSSFspodem ser apliadasnomonitoramento,rastreamento,oordenação

e proessamento de diversas apliações. Por exemplo, sensores podem ser

interone-tados para monitorar e ontrolar ondições ambientais omo em orestas, oeanos e

planetas. Outrasapliaçõespossíveisdessa tenologia estão nas áreas média,militar,

espaial, industrial, urbana e rural. A interonexão desses sensores através de redes

sem o, om o objetivo de realizar qualquer tarefa de sensoriamento, possívelmente,

revoluionará osproessos de obtenção eproessamentode informações.

Asredesde sensores semopodemser projetadaspara oletardados emdiferentes

ambientes e mesmo em regiões de difíil aesso ou perigosas. Na área ambiental, as

redes desensores serãoimportantesnaprevençãoenoauxílioàsvítimasde atástrofes

naturais tais omo terremotos, vulões, tsunamis e furações. As RSSFs podem

moni-torar variáveis ambientais em loais internos omo prédios e residênias. Apliações

rurais podem ser desenvolvidas parao ontrole de plantaçõese deriaçõesde animais.

Na áreaurbana, asredesde sensores podemajudaramelhorarasondiçõesde tráfego

e desegurança. É possívelmonitorarotráfegode veíulosemrodovias,malhasviárias

ser utilizadas para monitorar o funionamento de órgãos omo o oração, detetar a

presença de substânias que indiam a existênia ou o surgimento de um problema

biológio, seja noorpo humano ouanimal. Na área militar, as redes de sensores sem

o são apazes de detetar movimentos inimigos, explosões, a presença de material

perigoso omo gás venenoso ou radiação. Nesse tipo de apliação, os requisitos de

segurança são fundamentais. Além disso, o alane das transmissões dos sensores é

geralmente reduzido para eonomizar energia e evitar esutas landestinas. Na área

espaial, as RSSFs podem auxiliaremtarefas relaionadas à exploraçãoiniial de um

planeta ou estrela. Nesse aso, a rede pode ter omo objetivo avaliaros perigos

exis-tentes para uma eventual visita humana. Na área industrial, as RSSFs podem prover

meanismosde ontroleindustrial. Porexemplo,mirosensores semopodemser

em-butidos em peças na linha de montagem om objetivode realizar testes noproesso

de manufatura. A produção industrial pode ser otimizadaa partir do monitoramento

em indústrias petroquímias,fábrias, renarias e siderurgias.

Osrequisitosde projeto de um nósensorlevamavárias restrições. Osdispositivos

devem apresentar tamanhos reduzidos e um usto de produção mínimo. A energia é

o reurso mais esasso já que o nó sensor utiliza omo fonte de energia uma bateria

uja rearga nem sempre é possível. Em muitas situações, o aesso aos nós sensores

pode ser difíil, quando não inviável. Mesmo se a rearga de bateria for realizada,

observar-se-áum problema de esalabilidadedevidoaograndenúmero de nós sensores

em uma RSSF.

Alémdarestriçãodeenergia,oprojetodesoluçõesparaasredesdesensores semo

deve ser robusto na presença de uma topologia dinâmia. Nós sensores podem deixar

de operar por falta de energia ou por problemas meânios ou físios, por falhas de

omuniação no enlae sem o ou por estarem adormeidos para eonomizar energia.

A topologia da rede também pode ser alterada quando novos nós são adiionados à

rede já existente.

1.2 Denição do Problema

Nesse enáriode desaos araterizadopelas restriçõesdos nós sensores epela

topolo-gia dinâmia,a atividadede omuniação de dados torna-seum dos prinipaistópios

de pesquisa. Isso oorre porque o usto de omuniação é normalmente o mais

sig-niativo nas RSSFs, sendo aproximadamente três ordens de grandeza superior ao de

proessamento (Pottie e Kaiser, 2000a). Logo, qualquer solução para a omuniação

A omuniação de dados emRSSFs pode ser dividida emtrês asos (Goussevskaia

et al., 2005b), omo mostrado na gura 1.1: dos sensores para o sink (oleta de

da-dos), entre os nós sensores vizinhos (ooperação), e do nó sink para os nós sensores

(disseminação de dados). Este trabalhoaborda um tipoespeío de disseminação de

dados queaontee quandoonósink enviauma informaçãoparatodososnós darede.

Esse tipo de disseminação de dados é denominada difusão de dados (broadasting).

Outros tipos de disseminação de dados são uniasting, quando a informação

dissemi-nada é destinada a um únio nó, e multiasting, quando a informaçãoé enviada para

vários destinatários. A partir de algoritmos de difusão de dados eientes, o nó sink

pode realizaratividadestaisomo alteraromodode operação darede,disseminar um

novo interesse, ativar/desativar um ou mais sensores e enviar onsultas para a rede.

A difusão de dados é fundamental para o funionamento básio de vários protoolos

e apliações em RSSFs. Além disso, alguns protoolos para a oleta de dados, omo

o Direted Diusion (Intanagonwiwat et al., 2002), também são dependentes de um

protoolo de difusão de dados.

Vários algoritmosde difusão de dados têm sido propostos na literatura (Orehia

etal.,2004;Changetal.,2005;RahnavardeFekri,2006a;Durresietal.,2005). Dentre

eles, o mais simples é o ooding no qual, sempre que um nó reebe um paote pela

primeiravez, eleoretransmite paraseus vizinhos. A desvantagemdesse algoritmoé o

elevadonúmerodetransmissõesrealizadasqueotornaineienteemtermosdeenergia.

Umaversãootimizadadoooding éogossiping,ouooding probabilístio,noqualada

nó transmite uma mensagem om uma probabilidade

p

. O desempenho do algoritmo

em relação ao número de nós obertos e ao número de transmissões é sensivelmente

dependentedaesolhadovalorde

p

. Algunsprotoolosparadifusãodedadosutilizamo

oneitodeforwardingdelay parareduzironúmerodetransmissões. Nessesalgoritmos,

quando um nóreebe um paote, eleespera um determinadointervalode tempopara

deidir se irá retransmiti-lo ou não. Após esse intervalo, o nó propaga o paote se

nenhum vizinhoo tiverretransmitido. Opontoimportantedessapolítiaéadenição

do intervalo de espera, que é proporional a alguma métria a ser otimizada omo a

distânia ou a energia. No aso da distânia, deseja-se que os nós mais próximos (ou

os mais distantes) aum determinadoponto transmitamo paote.

1.3 Objetivos

(a) Comuniaçãode dadosdos sensores

paraosink (oleta).

(b) Comuniaçãode dados entre osnós

sensoresvizinhos(ooperação).

() Comuniação de dados do nó sink

paraosnóssensores(difusão).

Figura 1.1: Formasde omuniação de dados emredes de sensores sem o.

para prolongar o tempo de vida da mesma. Essa informação é denominada mapa de

energia(Minietal.,2005)epode serutilizadapordiferentes atividadesom oobjetivo

deotimizaroonsumodeenergiadisponívelnarede. Algoritmosdistribuídosientesdo

mapa de energia podem alterar seu modode funionamentoquando foremexeutados

em nós sensores loalizados em regiões de baixa energia. Por exemplo, protoolos de

difusão de dados podem evitar rotas quepassam por taisregiões.

Neste trabalho, é proposto o Delay and EnergyBased Broadasting (DEBB)

(Gui-doni et al., 2006), um protoolo que ombina os oneitos de forwarding delay e de

mapa de energia para realizar a difusão de dados eiente em termos de energia em

RSSFs. O DEBB éomposto por dois módulose o primeiraéo de determinar a

ener-gia de orte. O sink exeuta essa função para analisar o mapa de energia e detetar

regiõesde baixa energianarede. Se algumaregiãode baixaenergiafordetetada, um

parâmetro ontendo informaçõessobre a região de baixa energia é enviado no paote

a ser difundido narede. Assim, os nós saberão seeles pertenem ounão a uma região

de baixaenergia.

O segundo módulo é o de forwarding delay. Nesse aso, o nó sensor irá gerar um

o atraso inserido na propagação desse. O objetivo do DEBB é reduzir a quantidade

de paotes transmitidos, por onseguinte, a energia onsumida na rede, maximizar o

número de nós que reebeu o paote de dados difundido e fazer om que os nós que

possuem baixa reserva de energia não partiipem da difusão. Como o DEBB insere

atrasosnapropagaçãodopaote,alatênianadifusãoésigniativamenteaumentada.

Assim, é proposto uma versão probabilístiado DEBB, hamado DEBB-P ou DEBB

probabilístio. Nesse aso, o nóalula uma probabilidadepara enviar opaote. Essa

probabilidade é alulada segundo a métria de distânia. O objetivo do DEBB-P é

diminuira latêniaausada pelouso da téniade forwarding delay.

Opresentetrabalhoapresentaosdois algoritmosom suasavaliaçõesfeitasom

si-mulações, emque várias difusõesde dadossão realizadas pelonósink. As métriasde

avaliaçãodesses algoritmossão oonsumo de energia,númerode nós que reeberam o

paote difundido,número de nós mortos, operações aritmétiase latênia. Resultados

de simulaçãomostramque,emenáriosde difusãode dados,oDEBBémaisadequado

que os demais protoolos omparados. Nesses enários, o DEBB apresenta um usto

de exeução reduzido paraos nóssensores epossui um melhordesempenho emtermos

de número de nós obertos, número de transmissões realizadas e energia onsumida.

Alémdisso, oDEBBapresentaum omportamentoesalávelerobustoparadifusão de

dadosemenáriosontendoregiõesde baixaenergia. Nesse aso,oDEBBfazom que

os dadossejamintegralmenteroteados pelos nós om maioresreservas energia,mesmo

quando o número de regiões de baixa energia aumenta. Por outro lado, o DEBB-P

onsegue reduzir signiativamente a latênia ausada pela inserção de atrasos

man-tendo as mesmas araterístiasde nós que reeberam o paote de difundido, energia

onsumida e números de paotes transmitidodo DEBB.

1.4 Organização do Trabalho

Estetrabalhoestáorganizadodaseguintemaneira. Oapítulo2apresentaostrabalhos

relaionados aos algoritmos projetados nesta dissertação. O apítulo 3 apresenta o

protoolo Delay and Energy Based Broadasting (DEBB) e sua versão probabilístia.

Oapítulo4apresentaosresultadosdesimulaçãoemumenárioemqueváriasdifusões

de dadossãorealizadaspelonósink paratodososnóssensoresdarede. Nesseapítulo,

Trabalhos Relaionados

E

ste apítulo apresenta os trabalhos relaionados aos algoritmos propostos nesta dissertação. Eleestáorganizadoomodesritoaseguir. Aseção2.1apresentaos

protooloslássiosderoteamentopropostospararedesdesensoressemo. Aseção2.2

apresenta de forma espeía e detalhada, os protoolos de difusão mais relaionados

om o protoolo proposto neste trabalho. Como o protoolo proposto neste trabalho

utiliza informações de energia da rede, a seção 2.3 apresenta o oneito de mapa de

energia proposto em (Mini, 2004). A seção 2.4 apresenta o modelo de energia

State-basedEnergyDissipationModel (SEDM),propostoem(Minietal.,2005). Finalmente,

a seção 2.5apresenta asonlusões dopresente apítulo.

2.1 Roteamento em Redes de Sensores Sem Fio

Na omuniaçãode dados, oroteamentoéum problemafundamentalque pode ser

de-nido omooproesso deenviar paotesde umelemento origematé um elemento

des-tino atravésde umarota pelaqualopaotedeveperorrer. Algoritmosde roteamento

tem omoobjetivo obter a melhorrota a ser perorrida pelos paotesonsiderando as

informações de roteamento oletadas na rede, omo por exemplo, informações sobre

atraso e ongestionamento de um enlae entre pares de nós roteadores. Normalmente,

é possível determinarousto de seenviarum paote atravésde um enlae oude um

roteador. Esseustopodeserutilizadopelosalgoritmosderoteamentoparadeterminar

as melhoresrotas.

Assimomo em redes ad ho,o roteamentoé um problema importanteemRSSFs.

Emambosostiposde redes, agrandediuldadeexistentepara arealização do

rotea-mentooorreemfunçãodatopologiadinâmia. Nasredesad ho,atopologiadinâmia

é uma onseqüêniada mobilidadedos nós. Dessa forma,asrotas válidas tornar-se-ão

nós serem geralmenteestátios, atopologiadaredetambémédinâmia. Nósdesligam

o rádio para eonomizar energia, nós morrem (por exemplo, por falta de energia ou

porum problemafísio),novosnóssão adiionados,eosink mudasua loalização. Na

literatura, vários protoolos de roteamento para RSSFs forampropostos (Mann etal.,

2005; BraginskyeEstrin,2002;Su eAkyildiz,2005; Ganesanetal.,2001;Heinzelman,

2000;Woodetal.,2006;Intanagonwiwatetal.,2002;Servetto eBarrenehea,2002;Yu

etal.,2001),amaiorpartedelesutilizaumaoumais téniasparaeonomizarenergia.

Devido a sua natureza, as RSSFs requisitam ténias de roteamento esaláveis e

robustas paradisseminação de dados(Ganesan etal.,2001). Os algoritmospara essas

redes devem ser projetadosobjetivando elevaro tempode vida darede. Logo, os

mes-mos devem prover um meanismo de omuniação robustoe om onsumo de energia

eiente. A seguir, são desritos alguns algoritmospropostos naliteratura.

Intanagonwiwat et al. (2000) propõem o Direted Diusion um novo paradigma

para a omuniação entre os nós sensores. O objetivo desse protoolo é estabeleer

uma omuniação eienteentre osnós sensores e osink. Omodelo proposto introduz

dois oneitos. O primeiro é o data-entri em que os dados gerados pelos sensores

são identiadosporum parde valor-atributo. Nesseaso, quandoosink deseja saber

informaçõessobreumdadoespeío,eleenviaumaidentiaçãodoparvalor-atributo

desejado para a rede esse proesso é hamado envio de interesse. O outrooneito é

odataaggregation emqueosnósintermediáriosprouramagregaroseventosreebidos

em um únio evento om o objetivo de reduzir o número de transmissõesrealizadas e

a quantidade de dados armazenados na rede. O funionamentodo Direted Diusion

pode ser resumido da seguinte forma. Osink dissemina uma tarefa de sensoriamento

ou interesse para a rede e os nós intermediários propagam esse interesse através de

interaçõesloais. O aminhodapropagação dointeresse estabelee o aminhoreverso

para osdados oletadosloalmentequeasam om aquele interesse. Essa

dissemina-ção riaum gradienteapartirdatopologiadarede quesetornadireionada aeventos.

O gradiente faz om que os dados oletados perorram aminhos únios na volta. O

Direted Diusion é aprimorado em (Intanagonwiwat et al., 2002, 2003) em que os

autorespropõem uma abordagemde energiamaiseiente paraaagregação de dados.

Em (Heinzelman et al., 1999) e (Kulik et al., 1999), os autores apresentam uma

famíliadeprotoolosadaptativos,denominadaSPIN(SensorProtoolsforInformation

via Negotiation), que dissemina informação de forma eiente em RSSFs. A família

de protoolos SPIN inorpora duas inovações importantes om objetivo de superar

as deiênias das abordagens para a disseminação de dados existentes na literatura:

negoiaçãoeadaptaçãodereursos. Osnósnegoiamentresiantesdastransmissõesde

reursos oorre quando os nós onheem os reursos existentes nas regiões onde se

enontram e, assim, eles podem planejar melhor suas respetivas atividades de forma

a aumentaro tempode vidada rede.

Algunsalgoritmosderoteamentoassumemaexistêniadeumsistemadeloalização

que permite aos nós onheerem suas respetivas posições. Umexemplo deste tipo de

algoritmoéoGeographiandEnergyAware Routing (GEAR)propostopor(Yuetal.,

2001). O GEAR usa a energia e o sistema de loalização geográo para rotear os

paotes até suas respetivas regiões de destino. Esse protoolo proura balanear o

onsumo de energia de formaa elevaro tempo de vida darede.

(Heinzelman, 2000; Heinzelman et al., 2000) propõem o algoritmo LEACH

(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarhy), um protoolo baseado em lustering que

mi-nimiza o onsumo de energia em RSSF. Esse algoritmorealiza rotações aleatórias do

líderdoluster (luster-head)paradistribuiroonsumo deenergiaentreossensores da

rede. Compressõesloais também são utilizadaspara reduzirasomuniaçõesglobais.

2.2 Difusão em Redes de Sensores Sem Fio

Reentemente, algunsautorestêm propostoeientesprotoolosparadifusãoemredes

de sensores (Cartigny et al.,2005; Ovalle-Martinez, 2005; Ingelrest et al., 2006; Wu e

Dai, 2005, 2004; Rahnavard e Fekri, 2006b; Durresi et al., 2005; Heissenbüttel et al.,

2006; Goussevskaia et al., 2005b; do Val Mahado et al., 2005). Entre os algoritmos

existentes,osquepossuemmaiorrelaçãoomessetrabalhosãooTrajetoryandEnergy

Based Data Dissemination (Goussevskaia etal., 2005b;do ValMahado etal., 2005),

oDynamiDelayedBroadasting (Heissenbütteletal.,2006),oBroadastProtoolfor

Sensor Networks (Durresi et al., 2005), ooding e o gossiping e eles são estudados a

segiur.

2.2.1 Trajetory and Energy Based Data Dissemination

(TEDD)

Algoritmos para roteamento em urva utilizam a ténia de disseminação de dados

na qual paotes são disseminados pelo nó sink para um onjunto de nós ao longo de

uma urva pré-denida. A idéia prinipal onsiste em inserir uma equação de urva

no paote e os nós intermediários propagam esse paote para seus vizinhos que

esti-verem loalizadospróximosà urva. O TBF(Trajetory Based Forwarding),proposto

por(Niulesue Nath, 2003), foio primeiroalgoritmoautilizar essa idéia para rotear

para disseminar informações de forma eiente, em termos de energia, em RSSFs. O

protoolo é omposto de duas partes. Iniialmente, quando deseja disseminar uma

informação, o nósink aiona um módulo de geração dinâmiade urvas que realiza a

leitura domapade energiae gera urvasque passampor regiõesom maioresreservas

de energia eevitam ouxo de dados dentro das regiões de menor energia. A segunda

parte doalgoritmoonsisteemumapolítiade disseminaçãodotiporeeiver-based,ou

seja, quando um nó reebe um paote, ele próprio deide se deve ou não propagá-lo.

O métodode deisão utiliza uma téniade forwarding delay. Nesse aso, quando um

nó reebe um paote ele espera um determinado intervalo de tempo para deidir se

irá retransmití-lo. Após esse intervalo,onópropaga opaotese nenhum vizinho tiver

retransmitido. Oponto importantedessa polítiaé adenição do intervalode espera.

Em (Goussevskaia et al., 2005a), quanto menor a distânia do nó em relação a um

pontoafrentenaurva(pontode referênia),menorotempode espera. Osresultados

obtidospeloTEDD são signiativosporque eleapresentavárias melhoriasemrelação

ao roteamentoem urva original(Niulesu e Nath, 2003), utiliza o oneito de mapa

de energia e é o primeirotrabalho sobre a geração dinâmia de urvas de roteamento

em redes sem o.

Aidéia prinipaldoTEDD équeopontode referênia sempresejaum pontomais

afrentenaurvaequesistematiamenteonómaispróximoaelepropagueopaote. O

uso do pontode referêniaé feitode duas formas. Naprimeira,existe um únioponto

de referênia loalizadopróximo à urva e, onseqüentemente, a disseminação oorre

através de um únio uxo de dados que é roteadoem ima da urva. Como ilustrado

na gura 2.1, quando um únio uxo é utilizado, o nó mais próximo ao ponto de

referênia(gura2.1,pontoB)propagaopaote. Naoutraforma,existemdois pontos

de referênia, ambossão pontos à frentenaurvae suientementedistantes para que

existam dois uxos de dados independentes sendo propagados paralelamente à urva

(umaimaeoutroabaixodamesma). Comomostradonagura2.1,quandodoisuxos

são utilizados, os dois nós mais próximos respetivamente aos pontos de referênia

(gura 2.1, pontos A e C)propagam o paote. A esolha de quantos uxos utilizar é

onseqüênia do objetivo da disseminação. Existe um ompromisso entre maximizar

a quantidade de nós obertos pela urva e minimizaro número de transmissões. Em

situaçõesem queo mais importanteé minimizaronúmero de transmissões, apolítia

de um uxo deve ser utilizada. Por outro lado, quando maximizar a obertura for o

objetivoprinipal,a polítia de dois uxos éa mais indiada.

A gura 2.2 ilustra o modo de funionamento básio do TEDD. Quando um nó

reebeumpaote,eleveria sesua oordenadaestá dentrodosetordeurvareebido

Figura 2.1: Pontos de referênia.

Se o nó estiver dentro do setor, é alulado as oordenadas do ponto de referênia

(gura 2.2, pontoC)e veria sesua distâniaparao pontode referêniaémaior que

oraiodeomuniação(gura2.2, pontoD).Se sim,onódesarta opaote(gura2.2,

pontoB).Caso ontrário, onó alulao tempode espera (gura 2.2, ponto E).Após

aguardado o tempo de espera (gura 2.2, ponto F), o nó veria se algum de seus

vizinhosretransmitiuopaote(gura2.2,pontoG).Emasoarmativo,onódesarta

opaote(gura2.2, pontoB).Casoontrário,onóalulaopontode referênia(para

auxiliar na denição do próximonó da rota) (gura 2.2, ponto H) e, em seguida, ele

propaga opaote (gura2.2, pontoI).

ESTOU DENTRO

DO SETOR

DA CURVA?

CALCULAR O

PRÓXIMO PONTO

DE REFERÊNCIA

CALCULAR O

TEMPO DE

ESPERA

PROPAGAR O

PACOTE

RECEBI O MESMO

PACOTE

NOVAMENTE?

DESCARTAR

Pacote

Recebido

Sim

Continuar

Não

Não

Sim

A

B

C

D

_E

F

G

MINHA DISTÂNCIA ATÉ

O PONTO DE REFERÊNCIA

É MAIOR QUE O RAIO?

ACABOU

TEMPO DE

ESPERA?

Continuar

Sim

Sim

Não

H

Não

CALCULAR AS

COORDENADAS DO

PONTO DE REFERÊNCIA

I

Figura2.2: Funionamentobásio doTEDD.

2.2.2 Dynami Delayed Broadasting (DDB)

que utilizao oneito de forward delay. Oforwarding delay éutilizadoom oobjetivo

de otimizaro número de nós que propagam o paote de difusão eo tempo de vida da

rede. São propostas duas versões do DDB. A primeira hamada de DDB1, quando o

nóreebeumpaote,elealulaoatrasonatransmissãobaseadonaestimativadaárea

adiional que será oberta om a sua transmissão, ou seja, a métria utilizadapara o

álulodoatraso dopaote éaáreaqueserá obertaom asua transmissãoqueainda

não foi oberta por nenhuma transmissão de outro nó. A gura 2.3(a) mostra a área

adiional estimada pelo nó A quando ele reebe um paote transmitido pelo nó S. A

gura 2.3(b) mostra a área adiionalestimada pelo nó A quando ele reebe o mesmo

paote duas vezes, uma pelo nóS e outrapelonó S'.Se a área adiionaloberta pela

transmissão do nóformenor que um threshold pré determinado, onónão retransmite

o paote. Deve-se destaar que essa métria tem omo objetivo reduzir a quantidade

de paotetransmitidos nadifusão.

Nó S

Nó A

Área

Adicional

(a) NóA reebe umpaote transmitidopelo nó

S.

Nó S

Nó A

Nó S’

Área

Adicional

(b)NóAreebeomesmopaoteduasvezes:uma

transmitidapelonóSeoutratransmitidapelonó

S'.

Figura2.3: ExemplodaáreaadiionalestimadapelonóAquandooDDB1éutilizado.

O funionamento básio do DDB1 é mostrado na gura 2.4. Quando o nó reebe

o paote pela primeira vez, ele alula a área adiional que será oberta pela sua

transmissão (gura 2.4, ponto A). Se a área alulada é menor do que um threshold

pré-denido (gura 2.4, ponto B), o nó desarta o paote (gura 2.4, ponto C). Se a

área for maior, o nó alula o tempo de atraso do paote inversamente proporional

a essa área (gura 2.4, ponto D). A equação 2.1apresenta a fórmula utilizadapara o

álulo do tempo de espera. O atraso máximo que um paote pode ter emada nó é

T ime

_

Delay

=

Max

_

Delay

∗

v

u

u

t

e

−

e

(

AC

1

.

91

)

e

−

1

(2.1)

Apósoálulodotempodeespera, onóiráesperar

T ime

_

Delay

segundosantesde

suatransmissão(gura2.4,pontoE).Duranteesseperíodo,seonóreeberoutraópia

desse mesmopaote, o agendamento da transmissão será anelado e a área adiional

oberta porsua transmissão érealulada (gura2.4, pontoA). A novaárea é igual a

área alulada anteriormente menos a área oberta pelo último paote reebido. Se o

tamanhodanovaárea formenor queothreshold (gura2.4, pontoB)o nódesarta o

paote(gura2.4,pontoC).Senão,um novotempodeatrasoéalulado. Entretanto,

otempodeespera éaluladoinversamenteproporionalanovaáreamenosafraçãodo

tempode espera que onójá realizou,antes de reeberaópia dopaote pelasegunda

vez. Esseproessoérepetidoatéqueaáreaobertapelonósejamenorqueothreshold.

Quando o tempo de atraso aabar, o nó insere a sua loalização geográa (valores

x

e

y

) nopaote (gura 2.4, pontoF) e efetua asua propagação.

CÁLCULO DO

TEMPO DE

ESPERA

Pacote

Recebido

Delay

Time

Não

A

B

C

D

E

F

G

CÁLCULO DA

ÁREA

ADICIONAL

ÁREA ADICIOANAL

É MENOR QUE

THRESHOLD ?

DESCARTAR

Nó recebeu

uma cópia do

pacote

PROPAGAR

O PACOTE

INSERIR MINHA

COORDENADA

NO PACOTE

Sim

ACABOU

TEMPO DE

ESPERA ?

Não

Sim

Figura 2.4: Funionamentobásio doDDB.

Segundo Heinssenbüttel, quandoo DDB1é utilizadoemenárioomo RSSF,onde

os nós raramente se moveme tráfego de dados é altamentedireionado (sink

→

rede

e rede

→

sink), alguns nós onsumirão energia mais rapidamente do que outros. Isso

aontee pois, o algoritmo não leva em onsideração a energia que o nó possui e,

onseqüentemente, os mesmo nós transmitirão o paote de difusão. Para resolver esse

problema, os autores propõem a segunda versão do DDB, hamada de DDB2. O

funionamentobásiodoDDB2 éomesmodoDDB1, omomostrado nagura2.4. A

diferençaentreelesestánoálulodotempodeespera(gura2.4,pontoD).NoDDB2,

otempodeesperaéinversamenteproporionalaenergiaorrentedonó,eooneitode

menor do que o threshold. Se a área oberta for menor queo threshold,o nó desarta

o paote. Para alular otempode espera noDDB2 é utilizadoa equação2.2:

T ime

_

Delay

=

Max

_

Delay

∗

s

e

−

e

E

B

e

−

1

(2.2)

onde,

e

éo númerode Euler,

Max

_

Delay

éoatraso máximo queum paotepode ter

no nóe

E

B

éa energiarestanteno nóemporentagem dasua energia iniial.

2.2.3 Broadast Protool for Sensor Networks (BPS)

O BPS, proposto por (Durresi et al., 2005), é um protoolo de difusão que utiliza

a ténia de forwarding delay om a métria de distânia. Seu prinipal objetivo é

minimizar o número de paotes transmitidos emada difusão. Quando um nó deseja

enviar uma mensagem para todos os outros nós da rede, ele se torna o entro de um

hexágono insrito em seu raio de omuniação e, todos os seus vizinhos alulam sua

distânia em relação ao vértie mais próximo do hexágono. Um atraso inversamente

proporionalaessadistâniaéaluladoe,apósessetempo,onóretransmiteopaote.

Dessa forma, onóqueseenontramais próximoa algumvértiedohexágonoterá um

tempodeesperamenoreseráoprimeiroaretransmitiropaote. Seumnóreebeuum

paote retransmitido por algum vizinho, ele não preisa retransmiti-lo. Uma grande

desvantagemdoBPSéque,omoainformaçãodeenergianãoéutilizadaparaefetuara

difusão,regiõesdebaixaenergianaredenãosãoevitadasnaomuniaçãoe,sempreque

um determinadonóexeutar umadifusão, omesmo subonjuntode nós será esolhido

sistematiamente para retransmitir o paote, proporionando uma morte prematura

dos nós esolhidos.

A gura 2.5 ilustra o funionamento básio do BPS, onde `th` é a abreviatura

para thresohld. Quando o nó N reebe o paote pela primeira vez (gura 2.5, ponto

A), ele veria se o nó que enviou o paote está a uma determinada distânia do nó

atual. Se adistâniaformenor queum determinadothreshold pré-denido,opaote é

desartado(gura2.5,pontoB).Casoontrário,veriaseopaotejáfoireebidopelo

nó(gura2.5, pontoC).Se opaotejáfoireebido,eledeveser desartado(gura2.5,

pontoB).Caso ontrário, o nó N alulaa distânia dele aovértie mais próximo do

hexágonoinsritoemseuraiodeomuniação (gura2.5,pontoD).Apósessaetapa,o

nóalulaoatrasonoenviodopaote(gura2.5, pontoE).Esse álulopodeser feito

de duas formas. Na primeira,se onóque enviouo paoteéa fonte S da difusão,o nó

que reebeu o paoteenontrao vértie V mais próximo dohexágono om entro nas

oordenadas de S e omo exemplo de um vértie desse hexágono tem-se

(

S

x

+

R, S

y

)

,

para o vértie V e o atraso é dado pela fórmula

l/R

. Na segunda forma,se o paote

foi enviado por um nó K qualquer da rede, o nó N seleiona o vértie do hexágono

mais próximo de sua posição e o atraso do paote é dado pela fórmula l/20*R. Após

esse álulo,o nó espera o tempo neessário para a transmissão do paote(gura 2.5,

ponto F) e, após isso, veria-se se o paote já foi reebido (gura 2.5, ponto G). Se

o paote já foi reebido, eledeve ser desartado(gura 2.5, ponto B). Caso ontrário,

eleinsere assuas oordenadas geográasnopaote(gura 2.5,pontoH)eefetua sua

propagação (gura 2.5, pontoI).

DISTÃNCIA < th

INSERIR

COORDENADA NO

PACOTE

PROPAGAR O

PACOTE

PACOTE JÁ

RECEBIDO?

DESCARTAR

Pacote

Recebido

Não

A

D

H

F

ACABOU

TEMPO DE

ESPERA?

Sim

I

Sim

Sim

ENCONTRAR O

VÉRTICE MAIS

PRÓXIMO

CALCULAR O

ATRASO

PACOTE JÁ

RECEBIDO?

Não

Não

Sim

Não

B

C

E

G

Figura2.5: Funionamentobásio doBPS.

2.2.4 Flooding e Gossiping

Oalgoritmode difusãomaissimpleséoooding noqual,semprequeumnóreebeum

paotepelaprimeiravez, eleoretransmite. A desvantagemdessealgoritmoéoelevado

númerode transmissõesrealizadas que otorna ineienteem termosde energia. Uma

versão otimizadadoooding é ogossiping, ouooding probabilístio,no qualada nó

transmite uma mensagem om uma probabilidade

p

. O gossiping apresenta um

om-portamentodistinto emfunção da densidade da rede e da probabilidadeutilizada. Se

a rede for esparsa oua probabilidade for pequena, as rotas são quebradas om muita

failidadeepouosnóssãoobertospeloalgoritmo. Poroutrolado,emredesdensasou

quando aprobabilidadefor suiente, oprotooloapresentaum desempenho

satisfató-rioemrelaçãoaonúmerodenósobertoseaonúmerodetransmissões(doV.Mahado

2.3 Mapa de Energia

Em RSSFs, o usto da omuniação de dados pode ser representado peloonsumo de

energia. A informação sobre a energia restante em ada parte da rede é denominada

de mapadeenergia. Essemapapodeser representado emtonsde inzaomoilustrado

na Figura 2.6. As regiões mais laras representam áreas om maior quantidade de

energia e as mais esuras orrespondem às regiões om menos energia. Utilizando o

mapa,épossíveldeterminarsealgumapartedaredepodesofrer falhadevidoàfaltade

energia (Zhaoetal.,2002). Váriasapliaçõespara asredes de sensores sem opodem

utilizara informaçãoforneidapelomapa,omoalgoritmosde disseminaçãode dados,

de reonguração, defusãode dados,ede gereniamentodarede. Opontoimportante

é que omapa de energiaé fundamentalpara prolongar o tempo de vida darede.

Figura2.6: Mapa de energiade uma rede de sensores sem o.

Omapade energiapode ser onstruídode várias maneiras. Umadelaséutilizando

uma ténia ingênua em que, periodiamente, ada nó sensor envia o seu respetivo

valor de energia para o sink. Contudo, essa abordagem apresenta um usto elevado,

em termos de energia, devido à grande quantidade de transmissões neessárias para

atualizar o mapa. Nesse aso, possivelmente, os ganhos advindos do onheimento

forneido pelomapa seriam inapazes de obrir os ustos doproesso neessário para

sua obtenção/atualização.

Zhao et al. (2002) propõem uma abordagem mais interessante em que o mapa é

onstruído utilizando ténias de agregação. O trabalho proposto por (Zhao et al.,

2002) obtém o mapa de energia de uma rede de sensores utilizando uma abordagem

baseada emagregação. Umnósensorapenas preisaenviarparaonósink sua energia

reeberemduasoumaisinformaçõesdeenergiapodemagregá-lasde aordoomvárias

regras. Se asinformaçõesde energiasão de áreas topologiamenteadjaentes e setêm

níveis de energia semelhante, elas podem ser agregadas. O objetivo da agregação é

reduzirousto deoletarodado deenergia,mas mantendo aqualidadedainformação

obtida. No trabalhode (Zhao et al.,2002), são apresentados resultados de simulação

queomparamasabordagenspropostasomumaabordagementralizada. Entretanto,

nassimulações,nãoélevadoemonsideraçãooustodaatualizaçãoperiódiadaárvore

de agregação.

Mini(2004);Minietal.(2005,2003a,2002,2003b)propõemoutraabordagem

ei-ente, baseada emmeanismosde adeiasde Markov, parapreveroonsumode energia

de um nó sensor e om essa informação onstruir o mapa de energia. A idéia dessa

proposta está relaionada à situações em que um nósensor pode prever seu onsumo

de energiabaseando-seemseupassado. Seumnópodeprevereientementea

quanti-dade de energiaqueeleirágastarnofuturo, elenão preisatransmitirfreqüentemente

o valor de sua energia. Nesse aso, um nó sensor pode enviar uma únia informação

ontendo o valorde sua energia eos parâmetros que desrevem seu onsumo. Usando

esses parâmetros,o nósink pode atualizarloalmentea informaçãode energiados nós

sensores. Resultados de simulação apresentados por (Mini et al., 2005) mostram que

o uso de modelos baseados em predição apresenta um bom desempenho e diminui a

quantidade de energia neessária para a onstrução do mapa. Além disso, em (Mini

et al., 2005), o usto de onstrução do mapa é mostrado detalhadamente através do

númerode operações(adição,subtração,multipliação,divisão,omparação e

atribui-ção) neessárias. Outro ponto importante tratado em (do V. Mahado et al., 2005)

e em (Mini et al., 2005) é a utilização de ténias de amostragem para reduzir ainda

mais o usto de onstrução do mapa. É importante destaar que mesmo existindo

ténias otimizadas (em termos de energia) para a onstrução do mapa, o usto de

onstrução do mesmo pode ser dividido por todas as apliações e/ou algoritmos que

se beneiam dele. Outra onsideração importante é que o Delay and Energy Based

Broadasting (DEBB), protoolo de difusão de dados proposto no presente trabalho,

utiliza a abordagembaseada em predição para obter omapa de energia.

2.4 State-based Energy Dissipation Model

(SEDM)

O uso de simulação para avaliar o desempenho de protoolos de roteamento ou de

Em (Zhao et al., 2002), durante um evento de sensoriamento, alguns pontos

h

,

pré-denidos na rede, apresentam uma probabilidade

p

de iniiarem uma atividade de

sensoriamento loal, e todo nó loalizado dentro de um írulo de raio

r

e de entro

igualaumponto

h

onsomemumaquantidadexadeenergia. Umadesvantagemdessa

proposta éque quando um evento oorre, todos os nós loalizados dentro de sua área

de inuênia onseguem identia-loimediatamente. Essa situaçãoé plausívelapenas

se todos os nós sensores estiverem om seus respetivos sensores ligados durante todo

o tempo de simulação. Contudo, essa solução não é interessante porque a melhor

forma de se eonomizar energia emRSSFsé, sempre que possível, manter inativos, os

omponentes que não tiverem sendo utilizados (Hill et al.,2000). Outra limitação do

modeloproposto em(Zhaoetal.,2002)é queelenão modelaasduas primeirasformas

de omuniação de dadosapresentadas nagura 1.1: entre os nós sensores e osink; e

entreosnóssensores. Finalmente,essemodeloassumequetodososnóssensoresdentro

daregião de sensoriamentoapresentam omesmo onsumo. Isso não éneessariamente

verdade, uma vez quepara eonomizar energia,nem todos osnós devem sensoriarum

mesmo evento.

Ooutrotrabalhoqueabordaamodelagemdoonsumodeenergiaemnóssensores é

oState-based EnergyDissipation Model (SEDM)propostoem(Mini,2004;Minietal.,

2005, 2003a, 2002, 2003b). No SEDM, os nós possuem vários modos de operação

om diferentes níveis de ativação e, onseqüentemente, diferentes níveis de onsumo

de energia. Nesse modelo, ada nó apresenta quatro modos de operação: Modo

1

:

sensor desligado,proessador emidle, eradiodesligado. Modo

2

: sensoreproessador

ligados, e radio desligado. Modo

3

: sensor e proessador ligados, e radio reebendo;

Modo

4

: sensor e proessador ligados, e radio transmitindo. As transições entre os

modos oorrem onforme desritono diagramada gura 2.7. No diagrama,os modos

de operaçãosão representados pelosestados

1

,

2

,

3

e

4

. Observa-se tambémapresença

de doisestadosomplementares

2

′

e

3

′

. Oestado

i

′

apresentaumomportamentoigual

ao doestado

i

. A únia diferençaexistente entre eles é que quando um nóé haveado

para o estado

i

, ele dispara um ontador de tempo. Quando um nó é haveado para

o estado

i

′

, ele veria se existe algum evento para ele. Em termos de onsumo de

energia, osestado

i

e

i

′

são idêntios,ontudo, o omportamento deles édistinto.

O diagrama da gura 2.7 apresenta os omandos efetuados ao longo do aminho

(transições)entreosestados. Issosigniaquequandoumnóalteraseuestadoorrente,

elerealizaalgunstesteseaçõesantesde alançaronovoestado. Ostestessão: rotear

veria se existe alguma mensagem para ser roteada pelo nó; dormir determina

se o nó deve dormir ou não; existe evento determina se existe um novo evento de

depende de um parâmetro de probabilidade assoiado a ada um deles. Por sua vez,

ada ação de Tempo tem omo objetivo iniiar um ontador de tempo. Finalmente,

ada transmissão tenta apturar o omportamento do nó sensor em termos de seu

onsumo de energia.

Figura2.7: Diagrama doState-based Energy Dissipation Model.

2.5 Conlusão

Na áreade redesde omputadores, oroteamentoéum tópiobastantepesquisado. Na

omputação móvel,devido à mobilidade dos dispositivos e/ou asrestriçõesexistentes,

esse problema ganha uma atenção espeial. Nas redes móveis ad ho, o mesmo é

onsiderado omo o problema prinipal. Em redes de sensores sem o, geralmente os

morrem enós que são adiionadosna rede. Logo, oproblema doroteamentoontinua

mereendoumaatençãoespeial. Alémdisso,nasRSSFs,devidoàsrestriçõesexistentes

(prinipalmente a de energia), o problema de roteamento torna-se mais desaador.

Dentre os prinipais protoolos para o roteamentos em RSSFs, destaa-se o Direted

Diusion e oLEACH.

É importante destaar que a maioria dos protoolos de roteamento utilizam em

alguma etapa a difusão de dados para enontrar a rota desejada. Assim, o estudo e

projeto de novas ténias eientes para a difusão de dados é de grande importânia.

Como pode ser observado nos trabalhos relaionados, vários protoolos de difusão em

RSSF utilizam a ténia de forwarding delay para otimizar alguma métria da rede,

omo o número de paotes transmitidosou número de nós obertos pela difusão.

Umaárea de estudoimportantenas redes de sensores sem oé omapa de energia.

Utilizando o mapa, é possível determinar se alguma parte da rede pode sofrer falhas

devido à falta de energia (Zhao et al., 2002). Várias apliações para RSSFs podem

utilizar a informação forneida pelo mapa, por exemplo, os algoritmos de difusão de

dados. NoestudodeRSSFs,maisespeiamentenoproessodeavaliaçãodasmesmas,

um dos ítens mais importantes é o modelo de dissipação de energia dos nós sensores.

Um modelointeressante paraisso éoState-based EnergyDissipation Model (SEDM).

A partir da importânia do roteamento em RSSFs, da proposta de utilização da

ténia de forward delay e das vantagens advindas do mapa de energia, o presente

trabalho propõe um protoolo para difusão de dados que utiliza a ténia de forward

delay juntamente om o mapa de energia para difundir paotes narede. O protoolo

proposto será omparado om o gossiping, om o DDB2 e TEDD que utilizam

infor-maçõesde energiaeaténiade forwarding delay. Aomparação nãoserá feitaom o

Delay and Energy Based Broadasting

(DEBB)

3.1 Introdução

Esta seção apresenta o DEBB (Delay and Energy Based Broadasting), um protoolo

de difusão de dados que utiliza o mapa de energia juntamente om o oneitos de

forwarding delay para disseminar informações de forma eiente emredes de sensores

sem o. O DEBB reduz os ustos de energia e proessamento na difusão quando

omparadoomprotoolosdaliteratura,epossuiaapaidadedeontornarobstáulos,

omoasregiõesdebaixaenergia. Essaapaidadeéesaláveleindependedonúmerode

obstáulos. ODEBB temomo objetivosreduzironúmerode transmissões, aumentar

a quantidade de nós obertos e eliminar o uxo de dados dentro das regiões de baixa

energia. Comoalatêniaéoprinipalproblemadosalgoritmosqueutilizamforwarding

delay, é apresentada uma versão probabilístia do DEBB, denominada DEBB-P, que

deveser utilizadaem apliações sensíveisao atraso.

O DEBB e DEBB-P possuem dois módulos em seu funionamento. O primeiro

módulo(igualpara osdois protoolos) éode energiade orteeelatem omoobjetivo

evitarouxodedadosdentroderegiõesdebaixaenergia. OsegundomódulodoDEBB

é o de forwarding delay e ela insere atrasos nas retransmissões do paote de difusão

om o objetivo de reduzir a quantidade de retransmissões e aumentar a obertura da

rede 1

. Osegundo módulo doDEBB-P é ade redução da latênia. Essa função utiliza

uma ténia probabilístia na retransmissão do paote de difusão om o objetivo de

reduzir a latênia da difusão mantendo as mesmas araterístias de retransmissões e

número de nós que reeberam o paote de difusão do DEBB. A seção 3.2 apresenta

omo aenergia de orte é alulada. As seções 3.3e 3.4 apresentam o funionamento

1

básiodoDEBBedoDEBB-P,respetivamente. Aseção3.5apresentaaonlusãodo

presenteapítulo.

3.2 Energia de Corte

A energia de orte é um limiarpara identiar se um determinado nóenontra-se em

uma região de baixa energia e, neste aso, o nó é proibido de retransmitir o paote.

Isso éfeitopara queos nós ombaixareservade energiapossamonsumir sua energia

om oproesso de sensoriamento,e não de roteamento 2

.

Para alularovalordaenergiade orte,é neessáriodeniroqueéuma regiãode

baixaenergia. Este trabalhoonsideraque umaregiãode baixaenergiaoorrequando

a média de energia dos nós queobrem aquela região émenor que a médiade energia

daredemenosodesviopadrãodaenergiadarede. Para obteraenergiade orte,osink

alula a energia média da rede e o seu desvio padrão utilizando o mapa de energia.

Em seguida, para ada nósensor, o sink alula um oeiente de energia. Esse valor

orresponde a soma da energia de um nó om a energia de todos os seus vizinhos

dividido por

n

+ 1

, onde

n

éonúmerode vizinhosdonóeo maisum orresponde ao

próprio nó. Dadosa energiamédia, o desvio padrãoe ooeientede energiade ada

nó, a energia de orte será igual ao maior oeiente de energia que seja menor que a

energia média menos o desvio padrão. Caso não exista um oeiente de energia que

seja menor que a energia média menos o desvio padrão, a rede não possui regiões de

baixa energia,logo, o valorda energiade orte é zero.

A gura 3.1ilustra a esolhada energia de orte. Dados osoeientes de energia

de todos os nós da rede, a média de energia da rede e seu respetivo desvio padrão,

tem-se que

4

nós estão abaixo da média menos o desvio padrão, araterizando nós

om baixareserva de energia. Entre esses

4

nós, a energiade ortese arateriza pelo

nó quepossui a maiorreserva de energia,omo ilustradonagura.

Um benefíio na utilização dessa ténia, é que ela onsegue ontornar de forma

sensível asregiões de baixa energia da rede. Por exemplo, seum nó om altareserva

de energiaestá sobreposto (loalizaçõesgeográas) a algumnó om baixa reserva de

energia, apenaso nóomaltareservade energiapartiipará doroteamentodopaote.

Em outraspalavras,a téniaproposta onsegue determinarquais nós darede podem

partiipar do roteamento.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

...

N

Coeficiente

de Energia

Nós

Média de

energia da rede

Desvio

padrão

Energia

de corte

Figura 3.1: Esolhada energiade orte.

3.3 Funionamento Básio do DEBB

Oalgoritmode difusãoDEBBiniiaquandoonósink deseja disseminarumdadopara

todososnósdarede. Antesdefazeressadifusão,osink alulatrêsparâmetrosobtidos

a partir do mapa de energia: energia de orte, energia máxima e energia mínima da

rede. Esses valoresde energiasão inseridosnos paotes aserem difundidospara todos

os nós da rede.

O objetivo da energia de orte e a forma om que este valor é alulado foram

mostrados na seção 3.2. Os outros dois parâmetros obtidos na avaliação do mapa de

energia são a energia máxima e energia mínima que serão utilizadas pelos nós

inter-mediáriosnadenição de seus respetivosatrasos. Duranteo proessode avaliaçãodo

mapa de energia, esses valores são trivialmentealulados e orresponde à energia do

nó sensorom o maiorvalorde energiaea energiadonósensor om omenor valorde

energia. A utilizaçãodesses valores é importantepara redução da latênia,omo será

visto posteriormente.

No proesso de difusão do DEBB, os valores da energia de orte, energia máxima

e mínimae aoordenada geográa doúltimonóque propagou opaote são inseridos

nos paotes a serem transmitidos. Quando um nó intermediário reebe um paote,

ele utiliza uma abordagem do tipo reeiver-based para deidir se deve retransmití-lo.

Nesse aso, o nótoma a deisão de transmissão baseando-se nas informaçõesontidas

nopaoteeemsuaprópriaoordenadageográa. Agura3.2ilustraofunionamento

doDEBB. Aoreeberumpaote,onóveriasesua energiaémenorqueaenergiade

orte (gura 3.2, pontoA). Emaso positivo,opaote édesartado (gura 3.2, ponto

B) e emaso negativo, o nóalula sua distâniaaté o nó anterior (gura 3.2, ponto

e inversamente proporional à energia do nó. A equação (3.1) apresenta a fórmula

utilizada para oálulo dotempode espera.

T empoEspera

=

T imeStep

∗





raio

−

dist

DStep

+

EM ax

−((

M inhaEnergia

−

EM in

)

/

(

EM ax

−

EM in

))

EStep

2





(3.1)

onde o menor intervalo de tempo neessário para que um nó realize o proessamento

de um paote eotransmitaédenominado

T imeStep

,

raio

éoraiode omuniação do

nó,

dist

é a distânia entre o nó e o nó anterior,

EMax

e

EMin

são os parâmetros

energia máxima emínima ontidos nopaote e

MinhaEnergia

orresponde a energia

orrente do nó. Finalmente, os parâmetros

DStep

,

EStep

orrespondem aos valores

para normalizar as duas grandezas (distânia eenergia) utilizadasnafórmula.

Nume-riamente, a normalizaçãoé feita pois,a distâniaentre dois nós pode ser no máximo

o raiode omuniação (ex: 5 m)e a energia donó emum determinadoinstantepode

ser de 30

J

. Alémdisso,aenergiadonóvariaom otempode operaçãodarede, oque

não aontee om o raiode omuniação.

Após aguardar um intervalo de tempo igual ao seu tempo de espera (gura 3.2,

pontoE),onóveriasealgumvizinhojáretransmitiuopaote(gura3.2, pontoF).

Em aso positivo, o paote é desartado (gura 3.2, ponto B). Caso ontrário, o nó

insere sua própria oordenada geográa nopaote (gura 3.2, ponto G) e o propaga

(gura 3.2, ponto H).

MINHA ENERGIA

E MENOR QUE A

ENERGIA DE

CORTE?

CALCULAR A

MINHA DISTÂNCIA

ATÉ O NO ANTERIOR

CALCULAR O

TEMPO DE

ESPERA

RECEBI O MESMO

PACOTE

NOVAMENTE?

DESCARTAR

Pacote

Recebido

_Sim

Continuar

Não

A

_B

C

D

E

F

G

ACABOU

TEMPO DE

ESPERA?

Não

Sim

Sim

Não

Continuar

/

/

INSERIR MINHA

COORDENADA

NO PACOTE

PROPAGAR O

PACOTE

H

Continuar

Figura3.2: Funionamentobásio doDEBB.

Éimportantedestaar queoDEBBpoderiaonsiderar aenergiainiial dosnós em

vez da energia máxima. Nesse aso, os menores tempos de atraso seriam reservados

para os valores de energia entre a energia iniial e a energia máxima. Como não

existe nóujovalordaenergiaémaior queaenergiamáximadarede, oDEBB estaria

da energia iniial e da energia máxima da rede aumenta. Logo, se a energia iniial

fosse onsiderada, a latênia iria aumentar durante o tempo de vida da rede, já que

intervalosde tempos seriam inseridosdesneessáriamente noálulo doatraso.

O pseudo-ódigo do algoritmo DEBB é apresentado no algoritmo1. Considera-se

paote omoopaotededifusãoreebidopelonó. Alémdisso,éutilizadoasseguintes

variáveis de ontrole e auxiliares:

•

reebido: orresponde se o paotejá foi reebido pelonó;

•

paote.id: orresponde aoid dopaote;

•

paote.x e paote.y: posição geográa donó quetransmitiu o paote;

•

paote.energiaCorte: orresponde a energiade orte alulada pelosink;

•

x e y: posição geográa donó quereebeu o paote;

•

paote.energiaMaximaRede e paote.energiaMinimaRede: orrespondem

aonóommaioreaonóommenorenergiadaredeeessesvaloressãoalulados

pelosink;

•

distania: orresponde a distâniaeulidiana entre o nóque enviou e onó que

reebeu o paote;

•

atrasoDistania: orresponde aoatraso dopaote queé inversamente

propor-ional a distâniaentre os nós;

•

atrasoEnergia: orresponde ao atraso do paote que é inversamente

propori-onal a energiado nó;

•

aux: variável auxiliarpara normalizaros valores de distâniaeenergia;

•

minhaEnergia: orresponde aenergia orrente donó sensor;

•

RAIO: onstanteontendo o raiode omuniação donó;

•

TIME_STEP: tempo neessário para que um nó realize o proessamento de

um paotee efetue a sua transmissão;

A seguir éfeita uma desrição e análisedo algoritmo1:

•

Linhas 26: iniialização das variáveisutilizadasno algoritmo.

•

Linha 7: a função paoteReebido(...) reebe omo parâmetro o id do paote e

Entrada: paote

iniio 1

reebido

←

falso; 2

distania

← ∅

; 3

atrasoDistania

← ∅

; 4

atrasoEnergia

← ∅

; 5

aux

← ∅

; 6

reebido

←

paoteReebido(paote.id); 7

se reebido

=

verdadeiro ou minhaEnergia

<

paote.energiaCorte então 8 retorna; 9 senão 10 addPaoteReebido(paote.id); 11

distania

←

distaniaEntreNos(x, y, paote.x, paote.y); 12

atrasoDistania

←

RAIO - distania; 13

se minhaEnergia

=

paote.energiaMaximaRede então 14

aux

←

1

; 15

senão 16

aux

←

minhaEnergia

−

pacote.energiaM inimaRede

pacote.energiaM aximaRede

−

pacote.energiaM inimaRede

; 17

atrasoEnergia

←

RAIO - (aux *RAIO ); 18

atraso

← ⌊

TIME_STEP *

atrasoDistancia

+

atrasoEnergia

2

⌋

; 19 espera (atraso); 20

reebido

←

paoteReebido(paote.id); 21

se reebido

=

verdadeiro então 22

retorna; 23

senão 24

paote.x

←

x; 25

paote.y

←

y; 26

send (paote); 27

m 28

Algoritmo 1: Algoritmo doDEBB.

•

Linhas 89: veria seo paote já foi reebido ou sea energiaque o nópossui é

menor que a energia de orte. Se sim, o paote é desartado. Essa veriação é

feita em

O

(1)

.

•

Linhas 1027: Se o paote não foi reebido, o nó irá tentar exeutar a sua

re-transmissão.

•

Linha 11: se o paote não foi reebido, é feito a manutenção da listade paotes

reebidos. A inserção nessa lista é feita de forma ordenada pela id do paote.

Essa manutenção éfeita em

O

(log

n

)

.

paote. Oatraso orrespondente à distâniados nós é dado peladiferença entre

o raiode omuniação do nó pela distânia alulada. O atraso é inversamente

proporionala distâniaentre os nós. O álulodo atrasoé feitoem

O

(1)

.

•

Linhas 1417: seaenergiaorrentedonóéovalordaenergiamáxima darede, a

variávelauxiliarreebe

1

. Seformenor,essavariávelreebeoresultadodadivisão

daenergia orrentedonó menosamenor energiaque um nódarede possui pela

energia máximada rede. Isso é feitopara obter aproporçãode energiaqueo nó

possuiom relaçãoa energiamáximaemínimadarede. Essa proporçãovariade

0

a

1

. A veriação daenergia donóé feita em

O

(1)

.

•

Linha 18: a proporção alulada no item anterior é utilizada para fazer uma

normalização de valores. Ou seja, o mesmo peso que a distânia possui no

atraso do paote (Linha

13

) a energia deve possuir. O resultado ontido em

atrasoDistancia

dalinha

13

éno máximode RAIO pois, adistaniaentre dois

nós pode ser de

0

m

eo resultadoontido no

atrasoEnergia

dalinha

18

também

é nomáximo RAIO.

•

Linha 19: o atraso total do paoteé dado peladivisão entre a soma dos atrasos

da distânia e energia por

2

e multipliado por TIME_STEP, que é o menor

intervalodetempoparadifereniardoisatrasos. Opisoéutilizadoparaqueosnós

possuem atrasos emintervalos de TIME_STEP.Ou seja, os atrasos resultantes

da fórmula são por exemplo 15 TIME_STEPs ou 70 TIME_STEPs e não 7.5

TIME_STEPs.

•

Linha 2027: depois de alulado, o nó espera o tempo neessário e veria se

nesseperíodoelereebeu umaópiadomesmopaote. Se sim,onóanelaasua

transmissão. Casoontrário,eleatualizaasuaposiçãogeográanopaotee

efe-tuaasuatransmissão. Aomplexidadedessaveriaçãoé

O

(1)

eaomplexidade

de veriar se opaote foi reebido é

O

(log

n

)

Sendo assim, a omplexidade de tempo total no pior aso é

O

(log

n

) +

O

(1) +

O

(log

n

) +

O

(1) +

O

(1) +

O

(log

n

) =

O

(log

n

)

. Aomplexidadedetroas demensagens

no pior aso é

O

(

n

)

, onde

n

é a quantidade de nós na rede. Nesse aso, o pior aso

é quanto o nó possui apenas

1

vizinho, fazendo om que todos os nós partiipem da

3.4 DEBB Probabilístio

Como todos os protoolos baseados em forwarding delay, o DEBB apresenta alta

la-tênia devido ao tempo de espera assoiado a ada retransmissão. Portanto, soluções

baseadas em forwarding delay, omo o DEBB, não são indiadas para sistemas

de-pendentes do tempo. Para atender às apliações sensíveis ao atraso, uma variação

probabilístia do DEBB, denominada DEBB-P é proposta nesta seção. No DEBB-P,

a probabilidadede transmissão éalulada ao invés doatraso. O valordessa

probabi-lidade será realuladoa ada

T IME

_

ST EP

até queo nóoualgumde seus vizinhos

tenha transmitido o paote ou a quantidade de tentativas tenha alançado um limite

proporionala sua probabilidade de transmissão, omoserá vistoposteriormente.

Agura3.3ilustraofunionamentodoDEBB-P.Quandoumnóreebeumpaote,

eleveriasesuaenergiaémenorqueaenergiade orte(gura3.3, pontoA).Emaso

positivo,o paoteé desartado (gura3.3, pontoB).Caso ontrário,o nó alulasua

distânia até o nó anterior e sua probabilidade (gura 3.3, pontos C e D). Conforme

mostrado naequação (3.2),a probabilidadede transmissãoéproporionalàdistânia:

P robabilidadeT ransmissao

=

P ROB

_

ST EP

∗

distancia

(3.2)

onde, PROB_STEP éooeientede resimentodafunção noálulodas

probabili-dadesedistania éadistâniaeulidianaentre onóqueenviouereebeuopaote. No

passo seguinte, o nósorteia um número aleatório, segundo uma distribuição uniforme

(gura3.3,pontoE).Seessevalorformenorouigualaprobabilidade(gura3.3,ponto

F), o nó insere sua própria oordenada geográa no paote e o propaga (gura 3.3,

pontos I e J). Quando esse número for maior que a probabilidade, o nó aguarda um

T IME

_

ST EP

(gura 3.3, pontoG). Apóso

T IME

_

ST EP

, o nóveria se algum

de seus vizinhos retransmitiu o paote (gura 3.3, ponto H). Em aso positivo, o nó

desarta o paote (gura 3.3, ponto B). Caso ontrário, o proesso é reiniializado

(gura 3.3, ponto E).

Umaonsideraçãoimportantesobre oDEBB-P éque aprobabilidadede

transmis-são não preisa levar em onsideração os valores de energia. O omportamento não

determinístio dosorteio de números aleatóriosse enarrega de não utilizar

sistemati-amenteosmesmosnósnoroteamento. Alémdisso,ouxode dadosdentrodasregiões

de baixaenergia sempreserá eliminadoindependentedaprobabilidadede transmissão

através da utilização da energia de orte. Outro ponto importante do DEBB-P é o

ompromisso entre a latênia e o número de transmissões. Quanto maior o valor da