Por
Ana Em´ılia Borges Veloso
Orientador: Doutor Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio
Co-orientador: Doutora Paula Cristina Ribeiro Coutinho de
Oliveira
Disserta¸c˜ao submetida `a
UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de
MESTRE
em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o
74/2006 de 24 de Mar¸co com as altera¸c˜oes introduzidas pelos Decretos–Lei n.o
107/2008, de 25 de Junho, e 230/2009, de 14 de Setembro, e demais legisla¸c˜ao aplic´avel
e no Regulamento de Ciclo de Estudos Conducente ao Grau de Mestre da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
DR, 2.a
s´erie – n.o
Por
Ana Em´ılia Borges Veloso
Orientador: Doutor Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio
Co-orientador: Doutora Paula Cristina Ribeiro Coutinho de
Oliveira
Disserta¸c˜ao submetida `a
UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de
MESTRE
em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o
74/2006 de 24 de Mar¸co com as altera¸c˜oes introduzidas pelos Decretos–Lei n.o
107/2008, de 25 de Junho, e 230/2009, de 14 de Setembro, e demais legisla¸c˜ao aplic´avel
e no Regulamento de Ciclo de Estudos Conducente ao Grau de Mestre da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
DR, 2.a
s´erie – n.o
Doutor Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio
Professor Associado com Agrega¸c˜ao do Departamento de Engenharias da Escola de Ciˆencias e Tecnologia da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
Doutora Paula Cristina Ribeiro Coutinho de Oliveira
Professora Auxiliar do Departamento de Engenharias da Escola de Ciˆencias e Tecnologia da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
A quem dedico, Pai, M˜ae, Ant´onio e Lu´ıs
Ana Em´ılia Borges Veloso
Submetido na Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro para o preenchimento dos requisitos parciais para obten¸c˜ao do grau de
Mestre em Engenharia Eletrot´ecnica e de Computadores
Resumo — As Redes de Sensores Sem Fios s˜ao constitu´ıdas por um conjunto de N´os Sensores que possuem capacidades de aquisi¸c˜ao, computa¸c˜ao e recursos para uma comunica¸c˜ao sem fios. Para que possa haver comunica¸c˜ao ´e necess´ario a uti-liza¸c˜ao de protocolos de comunica¸c˜ao que permitam simplificar a transmiss˜ao de dados entre os diversos N´os. Um dos maiores desafios destas redes ´e o consumo de energia. A comunica¸c˜ao consome mais energia do que o processamento e a aquisi¸c˜ao de dados realizada pelos N´os da rede. Deste modo, protocolos de routing tˆem vindo a ser desenvolvidos com o objetivo de salvaguardar a energia dos N´os. Os protoco-los necessitam de ser suficientemente robustos pois a efic´acia de uma rede ´e muito dependente da forma como o encaminhamento dos dados ocorre e devem utilizar sempre, da forma mais eficiente poss´ıvel, a energia do N´o. Com o objetivo de as-segurar uma transmiss˜ao de dados eficaz, foi desenvolvido um protocolo de routing no qual foram implementados m´etodos que permitem uma poupan¸ca de energia, tolerˆancia a falhas e escalabilidade. Para verificar o desempenho e efic´acia do proto-colo, foi desenvolvida uma Rede de Sensores Sem Fios que tem como base de suporte para comunica¸c˜oes a norma IEEE 802.15.4, em cuja foi implementado o protocolo de comunica¸c˜oes proposto.
Palavras Chave: Protocolos, Routing, IEEE 802.15.4, Rede de Sensores Sem Fios
Ana Em´ılia Borges Veloso
Submitted to the University of Tr´as-os-Montes and Alto Douro in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Electrical Engineering and Computers
Abstract — Wireless Sensors Networks consists in sensors nodes that are capable of acquisition, computing and resources for a wireless communication. It is necessary to use communication protocols that simplify data transmission between Nodes, so that communication can happen. A biggest challenge of these networks is the energy consumption. Communication consumes more energy than processing and data acquisition by Network Nodes. Routing protocols have been designed to save the energy of Nodes. Protocols should always use, in the most efficient way, the energy of the Node. They also need to be robust enough, since the network efficiency depends on how the data routing occurs. A routing protocol has been developed to ensure effective data transmission. In this protocol have been implemented methods which allows saving energy, fault tolerance and scalability. A wireless Sensor Network has been implemented to analyze the protocol performance and efficiency. This network follows the IEEE 802.15.4 norm, which is the support base for communications. Key Words: Protocols, Routing, IEEE 802.15.4, Wireless Sensors Networks
Aos Professores Carlos Manuel Jos´e Alves Serˆodio, Pedro Miguel Mestre Alves da Silva e Paula Cristina Ribeiro Coutinho de Oliveira desejo expressar o meu sin-cero agradecimento pela oportunidade que me concederam em realizar a presente disserta¸c˜ao sob suas orienta¸c˜oes. Agrade¸co pelo tema proposto, pelos seus ensina-mentos e disponibilidade.
`
A minha fam´ılia, por todo o amor, carinho, paciˆencia e amizade demonstrada ao longo da minha vida, bem como a educa¸c˜ao e valores que me transmitiram, tornando-me na pessoa que sou hoje.
Ao meu namorado, Lu´ıs Reigoto, por toda a ajuda, paciˆencia, carinho, por estar sempre presente nos bons e maus momentos e por toda a confian¸ca depositada em mim.
Aos meus amigos, Jo˜ao Rodrigues, Pedro Cal¸cada, Jo˜ao Heleno, Rui Guedes, Ant´onio Ferreira e Jos´e Pinto pelos bons anos de amizade, pela ajuda e companheirismo du-rante o percurso acad´emico e por serem os principais respons´aveis pela minha boa integra¸c˜ao acad´emica.
Aos meus amigos, Nuno Pimenta, Rita Azevedo, Jo˜ao Furriel, Ana Almeida, Rita xiii
Por fim, agradecer `a Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro por me ter con-cedido a oportunidade de realizar o percurso acad´emico.
UTAD, Ana Em´ılia Borges Veloso Vila Real, 12 de Junho de 2014
Resumo ix
Abstract xi
Agradecimentos xiii
´Indice de tabelas xvii
´Indice de figuras xix
Acr´onimos e abreviaturas xxiii
1 Introdu¸c˜ao 1
1.1 Motiva¸c˜ao e Objetivos . . . 2
1.2 Organiza¸c˜ao da Disserta¸c˜ao . . . 3
2 Estado da Arte 5 2.1 Rede de Sensores Sem Fios . . . 5
2.1.1 Arquitetura de Comunica¸c˜ao . . . 10
2.1.2 Camadas e Planos . . . 13
2.2 Protocolos de Comunica¸c˜ao . . . 16
2.2.1 Protocolos de Comunica¸c˜ao da Camada de Liga¸c˜ao de Dados . 17 2.2.2 Protocolos de Comunica¸c˜ao da Camada de Rede . . . 19
3.2.1 M´odulo Central de Processamento . . . 48
3.2.2 M´odulo de Comunica¸c˜oes. . . 50
3.3 Protocolos de Comunica¸c˜ao . . . 54
3.3.1 Protocolo de Routing . . . 54
3.3.2 Testes e Resultados . . . 68
4 Conclus˜ao e Trabalho Futuro 93 4.1 Conclus˜ao . . . 93
4.2 Trabalho Futuro. . . 97
Referˆencias bibliogr´aficas 99
2.1 Compara¸c˜ao entre SPIN, LEACH e Directed Diffusion. . . 28
2.2 Classifica¸c˜ao e compara¸c˜ao dos diferentes protocolos de Routing. . . . 38
3.1 Resultados do N´o Retransmissor no primeiro cen´ario de testes. . . 69
3.2 Resultados do N´o Sink no primeiro cen´ario de testes. . . 70
3.3 Resultados do N´o Sensor no primeiro cen´ario de testes. . . 71
3.4 Resultados do N´o Retransmissor no segundo cen´ario de testes. . . 72
3.5 Resultados do N´o Sink no segundo cen´ario de testes. . . 72
3.6 Resultados do N´o Sensor no segundo cen´ario de testes. . . 72
3.7 Resultados do N´o Sensor no terceiro cen´ario de testes. . . 73
3.8 Resultados do N´o Retransmissor no terceiro cen´ario de testes. . . 74
3.9 Resultados do N´o Sink no terceiro cen´ario de testes. . . 74
3.10 Compara¸c˜ao dos resultados do N´o Retransmissor. . . 74
3.11 Compara¸c˜ao dos resultados do N´o Sensor. . . 75
3.12 Compara¸c˜ao dos resultados do N´o Sink.. . . 75
3.13 Resultados do N´o Sensor S1 no quarto cen´ario de testes. . . 77
3.14 Resultados do N´o Retransmissor no quarto cen´ario de testes. . . 77
3.15 Resultados do N´o Sensor S2 no quarto cen´ario de testes. . . 77 xvii
3.18 Resultados do N´o Sensor S2 no quinto cen´ario de testes. . . 79
3.19 Resultados do N´o Retransmissor no quinto cen´ario de testes. . . 79
3.20 Resultados do N´o Sink no quinto cen´ario de testes. . . 80
3.21 Resultados do N´o Retransmissor no sexto cenario de testes. . . 81
3.22 Resultados do N´o Sensor S1 no sexto cen´ario de testes. . . 81
3.23 Resultados do N´o Sensor S2 no sexto cen´ario de testes. . . 81
3.24 Resultados do N´o Sink no sexto cen´ario de testes. . . 82
3.25 Compara¸c˜ao dos resultados do N´o Retransmissor. . . 82
3.26 Compara¸c˜ao dos resultados do N´o Sensor S1. . . 83
3.27 Compara¸c˜ao dos resultados do N´o Sensor S2. . . 83
3.28 Compara¸c˜ao dos resultados do N´o Sink. . . 83
3.29 Resultados do N´o Retransmissor R2 no s´etimo cen´ario de testes. . . . 85
3.30 Resultados do N´o Retransmissor R1 no s´etimo cen´ario de testes. . . . 85
3.31 Resultados do N´o Sink no s´etimo cen´ario de testes. . . 86
3.32 Resultados do N´o Retransmissor R2 no oitavo cen´ario de testes. . . . 87
3.33 Resultados do N´o Retransmissor R1 no oitavo cen´ario de testes. . . . 87
3.34 Resultados do N´o Sink no oitavo cen´ario de testes. . . 87
3.35 Resultados do N´o Retransmissor R2 no nono cen´ario de testes. . . 89
3.36 Resultados do N´o Retransmissor R1 no nono cen´ario de testes. . . 89
3.37 Resultados do N´o Sink no nono cen´ario de testes. . . 89
3.38 Compara¸c˜ao dos resultados do N´o Retransmissor R2. . . 90
3.39 Compara¸c˜ao dos resultados do N´o Retransmissor R1. . . 90
3.40 Compara¸c˜ao dos resultados do N´o Sink. . . 91
2.1 Hardware simplificado de um N´o sensor . . . 6
2.2 Arquitetura de uma RSSF . . . 11
2.3 Configura¸c˜ao Hierarchical Tree . . . 11
2.4 Configura¸c˜ao Mesh . . . 12
2.5 Configura¸c˜ao Clustered Hierarchical . . . 13
2.6 Pilha de Protocolos de Comunica¸c˜ao de uma RSSF . . . 13
2.7 Ciclos de opera¸c˜ao do S-MAC . . . 18
2.8 Ciclos de opera¸c˜ao do T-MAC . . . 19
2.9 Classifica¸c˜ao dos Protocolos de routing . . . 23
2.10 Protocolos baseados na estrutura de rede . . . 23
2.11 Directed Diffusion . . . 25
2.12 Hierarchical Routing Clustering Based . . . 26
2.13 Hierarchical Routing Chains Based . . . 29
2.14 Hierarchical Routing Clustering and Chains Based . . . 30
2.15 Fluxograma da opera¸c˜ao do TEEN . . . 32
2.16 Fluxograma da opera¸c˜ao do APTEEN . . . 33
2.17 Protocolos baseados na Opera¸c˜ao do Protocolo . . . 34
2.18 Protocolo DSR . . . 40 xix
3.1 Rede de Sensores Sem Fios . . . 47
3.2 Esquema do circuito dos N´os . . . 48
3.3 N´os da rede . . . 48
3.4 Componentes base de um microcontrolador . . . 49
3.5 M´odulo XBee . . . 50
3.6 Diagrama de fluxo de dados atrav´es de uma interface UART . . . 51
3.7 Estrutura de uma frame enviada . . . 52
3.8 Estrutura de uma frame recebida . . . 52
3.9 Estrutura de uma frame com comandos AT . . . 52
3.10 Configura¸c˜ao do m´odulo XBee . . . 53
3.11 Sincroniza¸c˜ao dos N´os . . . 56
3.12 Pedido de liga¸c˜ao ao N´o Sink . . . 57
3.13 Caminho para o N´o Sink . . . 57
3.14 Caminho alternativo para enviar os dados ao Sink . . . 58
3.15 Pedido de dados . . . 59
3.16 Sele¸c˜ao de Retransmissor para envio dos dados . . . 60
3.17 Pedido de Liga¸c˜ao do N´o Sensor . . . 60
3.18 Confirma¸c˜ao da rece¸c˜ao de dados . . . 61
3.19 Utiliza¸c˜ao de comandos AT . . . 62
3.20 Comando ATPL . . . 63
3.21 Retransmiss˜ao de dados . . . 63
3.22 Envio dos dados ao Sink . . . 64
3.23 Retransmiss˜ao de dados ao Sink . . . 64
3.24 Envio dos dados a Retransmissor que conhece o caminho para o Sink 65 3.25 Retransmiss˜ao de dados a Retransmissor que conhece o caminho para o Sink . . . 66
3.26 Cen´ario de Teste 1 . . . 68
3.27 Cen´ario de Teste 2 . . . 71
3.28 Cen´ario de Teste 3 . . . 73 xx
3.31 Cen´ario de Teste 6. . . 80
3.32 Cen´ario de Teste 7. . . 84
3.33 Cen´ario de Teste 8. . . 86
3.34 Cen´ario de Teste 9. . . 88
Lista de acr´
onimos
RSSF Redes de Sensores Sem Fios MANET Mobile Ad Hoc Network BS Base Station
CH Cluster Head
OSI Open Systems Interconnection ISO International Standard Organization MAC Medium Access Control
RF R´adio Frequˆencia
TDMA Time Division Multiple Access
CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance RTS Request-To-Send
CTS Clear-To-Send ACK Acknowledgement
DE-MAC Distributed Energy aware MAC QoS Quality of Service
DC Data-Centric
LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy
PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems TEEN Threshold-Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol APTEEN Adpative Periodic Threshold-Sensitive Energy Efficient
Sen-sor Network Protocol HT Hard Threshold ST Soft Threshold SV Sensed Value CT Count Time
GPS Global Positioning System GAF Geographic Adaptive Fidelity SAR Sequential Assignment Routing DSR Dynamic Source Routing
AODV Ad hoc On-demand Distance Vector DSDV Destination-Sequenced Distance-Vector TORA Temporally Ordered Routing Algorithm OLSR Optimized Link State Routing Protocol MPR MultiPoint Relay
TC Topology Control
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Network PIC Peripheral Interface Controller
CPU Unidade Central de Processamento ALU Unidade L´ogica e Aritm´etica RAM Random Access Memory
RISC Reduced Instruction Set Computer IDE Integrated Development Environment
UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter API Application Programmig Interface
RSSI Received Signal Strength Indicator
Lista de abreviaturas
e.g. por exemplo et al. e outros (autores) etc. etecetera, outros i.e. isto ´e, por conseguinte vid. veja-se, ver
vs. versus, por compara¸c˜ao com
1
Introdu¸c˜
ao
A necessidade de troca de informa¸c˜ao entre dispositivos eletr´onicos promoveu o desenvolvimento das redes de comunica¸c˜ao de dados. Com esta necessidade e devido aos avan¸cos tecnol´ogicos nas comunica¸c˜oes sem fios bem como o desenvolvimento e evolu¸c˜ao do fabrico de sensores de baixo custo e tamanho reduzido, levaram a que as Redes de Sensores Sem Fios sejam uma op¸c˜ao cada vez mais vi´avel [1]. Este tipo de redes possui diversas vantagens relativamente `as redes de sensores com fios, principalmente em termos de custos, tamanho dos dispositivos e flexibilidade. Al´em disto, permitem a monitoriza¸c˜ao de alvos de dif´ıcil acesso e podem ser instaladas em qualquer lugar. As Redes de Sensores Sem Fios s˜ao compostas por um conjunto de N´os sensores que possuem capacidades de dete¸c˜ao, computa¸c˜ao e recursos para uma comunica¸c˜ao sem fios. Na presente disserta¸c˜ao foram definidos trˆes tipos de N´os, N´o Sensor que ´e repons´avel pela monitoriza¸c˜ao e envio dos dados ao N´o Retransmissor, o N´o Retransmissor que ´e respons´avel pela retransmiss˜ao dos pacotes de dados ao N´o Sink que ´e o destino de todos os pacotes de dados.
A crescente necessidade de uma maior eficiˆencia nos processos produtivos do sector agr´ıcola, devido `as altera¸c˜oes climat´ericas mas tamb´em `a necessidade de produzir cada vez mais e melhor, torna evidente a importˆancia de possuir uma Rede de
Sensores Sem Fios. Com isto, foi desenvolvida uma rede que possibilite a aquisi¸c˜ao de informa¸c˜oes acerca da temperatura, press˜ao e h´umidade presentes numa vinha. Estas informa¸c˜oes s˜ao adquiridas pelos N´os Sensores e o modo de como estas s˜ao encaminhadas pela rede ´e definido no protocolo de routing proposto. A maior parte da energia gasta pelos N´os ´e durante a transmiss˜ao de dados [1]. Deste modo, os protocolos de routing necessitam de ser suficientemente robustos para lidarem com os requisitos impostos pela rede e para proporcionarem uma melhor eficiˆencia energ´etica. Os protocolos de routing tˆem como objetivo assegurar o routing fi´avel dos dados. A eficiˆencia energ´etica vai depender do modo de comunica¸c˜ao dos N´os e do modo de como os dados s˜ao encaminhados pela rede. Os protocolos tˆem uma elevada responsabilidade no desempenho da rede e na sua eficiˆencia energ´etica.
1.1
Motiva¸
c˜
ao e Objetivos
As Redes de Sensores Sem Fios tornaram-se imprescind´ıveis em diferentes ´areas de atividade, no entanto est˜ao tipicamente sujeitas a situa¸c˜oes de falhas ou mau funcio-namento. Estas situa¸c˜oes podem ocorrer por diversos motivos, tais como, destrui¸c˜ao de N´os, esgotamento da bateria, interferˆencias ocorridas decorrentes de altera¸c˜oes de clima ou na movimenta¸c˜ao de objetos na ´area de dete¸c˜ao, que bloqueiam o sinal transmitido. Por se tratar de um ambiente muito prop´ıcio a falhas, considerando tamb´em o elevado grau de intera¸c˜ao entre os elementos da rede, os protocolos de uma RSSF devem ser desenvolvidos considerando a frequente ocorrˆencia de falhas. Al´em das falhas, para desenvolver um protocolo robusto, ´e necess´ario tamb´em ter em considera¸c˜ao alguns fatores como ambiente de opera¸c˜ao, consumo de energia, topologia de rede, restri¸c˜oes de hardware, entre outros. O ambiente de opera¸c˜ao, bem como a aplica¸c˜ao da rede s˜ao aspetos importantes para a escolha da topologia, influenciando o desenvolvimento dos protocolos a utilizar. O principal requisito e desafio de uma Rede de Sensores Sem Fios ´e o consumo de energia. A comunica¸c˜ao numa RSSF consome mais energia do que o processamento e a aquisi¸c˜ao de dados
realizada pelos N´os da rede. Com isto, ´e necess´ario que os protocolos de routing pos-sibilitem aos N´os uma comunica¸c˜ao eficiente e eficaz com o m´ınimo de consumo de energia, que dependem da dinˆamica de opera¸c˜ao e dos protocolos de comunica¸c˜ao. Com esta disserta¸c˜ao pretende-se desenvolver um protocolo de routing para uma Rede de Sensores Sem Fios, que suporte o encaminhamento fi´avel dos dados pela rede, que seja eficiente do ponto de vista energ´etico para que o tempo de vida da rede seja elevado. Pretende-se tamb´em que a rede seja escal´avel, tolerante a falhas e que possua a capacidade de se auto organizar. A rede tem como finalidade adquirir informa¸c˜oes acerca da temperatura, press˜ao e h´umidade presentes numa vinha. O modo de como estas informa¸c˜oes s˜ao encaminhadas pela rede ´e definido no protocolo proposto. No protocolo s˜ao tamb´em definidas t´ecnicas de poupan¸ca de energia e tolerˆancia a falhas.
1.2
Organiza¸
c˜
ao da Disserta¸
c˜
ao
Esta disserta¸c˜ao ´e composta por quatro Cap´ıtulos. No presente Cap´ıtulo ´e menci-onada uma introdu¸c˜ao, a motiva¸c˜ao e objetivos do trabalho proposto, bem como a organiza¸c˜ao deste documento.
O Cap´ıtulo 2 ´e dedicado ao estudo das caracter´ısticas e constitui¸c˜ao das Redes de Sensores Sem Fios. Diferentes protocolos de comunica¸c˜ao da camada de Liga¸c˜ao de Dados e Rede foram descritos e analisados.
A Concep¸c˜ao e Implementa¸c˜ao do protocolo proposto neste projeto ´e apresentado no Cap´ıtulo 3. ´E realizada uma descri¸c˜ao da constitui¸c˜ao da rede, dos respetivos N´os e das metodologias empregues no protocolo desenvolvido. S˜ao tamb´em demonstradas v´arias situa¸c˜oes de erro e poss´ıveis solu¸c˜oes. Ainda neste Cap´ıtulo encontram-se os testes realizados e respetivos resultados.
Por fim, no Cap´ıtulo 4 tecem-se as conclus˜oes relativas aos testes e resultados obti-dos e sua consonˆancia com os objetivos propostos inicialmente. S˜ao ainda referidas
algumas perspectivas para trabalho futuro no sentido de melhorar o presente proto-colo.
2
Estado da Arte
2.1
Rede de Sensores Sem Fios
O desenvolvimento e avan¸co tecnol´ogico nas diversas ´areas de sensores, circuitos integrados e comunica¸c˜oes sem fio, proporcionaram a cria¸c˜ao das Redes de Sensores Sem Fios e levaram a um aumento da utiliza¸c˜ao das mesmas. O crescente interesse neste tipo de rede, quer no ˆambito de investiga¸c˜ao quer no desenvolvimento de aplica¸c˜oes, deve-se tamb´em ao facto de possu´ırem uma combina¸c˜ao de computa¸c˜ao distribu´ıda, coleta de dados e comunica¸c˜ao. A natureza aut´onoma e robusta das RSSF ´e um refor¸co indispens´avel nas mais diversas ´areas, tais como o controlo industrial, automa¸c˜ao residencial, seguran¸ca, controlo de processos qu´ımicos, f´ısicos, biol´ogicos, aplica¸c˜oes agr´ıcolas, militares entre outras [2].
As RSSF s˜ao consideradas uma subclasse das redes sem fios Ad Hoc, ou MANET (Mobile Ad Hoc Networks), sendo estas constitu´ıdas por dispositivos de computa¸c˜ao que utilizam uma transmiss˜ao sem fios para a comunica¸c˜ao sem o aux´ılio de uma infraestrutura [3]. Os dispositivos cooperam entre si para a realiza¸c˜ao de tarefas e agem como routers para encaminharem os pacotes para o destino.
As RSSF tipicamente s˜ao constitu´ıdas por um conjunto de N´os sensores que possuem 5
recursos para uma comunica¸c˜ao sem fios, no qual s˜ao distribu´ıdos para monitorizar condi¸c˜oes ambientais, tais como, temperatura, press˜ao, movimento, etc. Estas redes s˜ao implementadas consoante a aplica¸c˜ao, pois a estrutura e organiza¸c˜ao dos N´os ´e dependente desta. Um N´o sensor consiste tipicamente em cinco componentes: sensor, mem´oria, processador, transceiver e bateria [4], Fig. 2.1. O sensor ´e res-pons´avel por converter uma grandeza ou parˆametro f´ısico / qu´ımico numa grandeza el´etrica adequada a tratamento por um sistema de aquisi¸c˜ao de dados, a mem´oria ´e um dispositivo de armazenamento, onde o firmware ´e armazenado bem como os dados adquiridos para que possam ser enviados posteriormente, o processador ´e res-pons´avel pela execu¸c˜ao dos protocolos de comunica¸c˜ao e pela gest˜ao da aquisi¸c˜ao dos dados do sensor, o transceiver ´e um dispositivo de comunica¸c˜ao que inclui um transmissor e um recetor e a bateria ´e o sistema de alimenta¸c˜ao do N´o e possui uma capacidade finita.
Figura 2.1 – Hardware simplificado de um N´o sensor.
A organiza¸c˜ao do hardware e do firmware de um N´o sensor deve ser efetuada de modo a proporcionar o seu correto funcionamento, permitindo adaptar-se a dinami-camente a novos ambientes e requisitos. Atualmente os N´os s˜ao dispositivos de baixo custo e de tamanho reduzido. Consequentemente, os seus recursos s˜ao limitados (ti-picamente, bateria limitada, mem´oria e capacidade de processamento reduzidas). Para preservar os recursos dispon´ıveis, geralmente a comunica¸c˜ao entre N´os apenas ´e efetuada com um certo n´umero de vizinhos. Assim, os N´os necessitam de colaborar a fim de realizar as suas tarefas, como dete¸c˜ao, routing, localiza¸c˜ao, entre outros. Portanto, as RSSF s˜ao, por natureza, redes colaborativas [4].
As RSSF possuem caracter´ısticas que as diferem de outras redes sem fios, como Wireless Lan, Bluetooth, redes Ad hoc, entre outras. Comparando estas redes com as RSSF, estas ´ultimas possuem propriedades distintas, tais como [5]:
• Capacidades de Computa¸c˜ao: Devido `a limita¸c˜ao dos seus recursos, como ba-teria, tamanho e custos, o espa¸co de mem´oria e programa do sensor tamb´em ´e muito reduzido. Como uma rede de sensores pode ser constitu´ıda por in´umeros N´os distribu´ıdos, ´e gerada uma grande quantidade de fluxo de dados, pro-porcionando um elevado n´umero de transmiss˜oes que agravam ainda mais o consumo dos recursos da rede. Portanto, para salvaguardar esses mesmos re-cursos, existe a necessidade de os N´os colaborarem entre si para realizarem a compress˜ao dos dados, bem como o processamento e transmiss˜ao dos dados recolhidos e reduzir o fluxo de dados, permitindo prolongar o tempo da vida da rede [5].
• Bateria como fonte de alimenta¸c˜ao: Um dos motivos que proporciona a inati-vidade de um N´o sensor ´e a falta de energia. Por isso, os protocolos devem ter em considera¸c˜ao a conserva¸c˜ao de energia, tendo em conta que os N´os gastam muita energia aquando a transmiss˜ao de dados. Um dos desafios mais dif´ıceis nestas redes ´e a poupan¸ca de energia para maximizar o tempo de vida da rede [5].
• Capacidades de Comunica¸c˜ao: As redes sem fios em geral e as RSSF em par-ticular, s˜ao caracterizadas por possu´ırem liga¸c˜oes intermitentes, ou seja, a liga¸c˜ao entre os dispositivos ´e quebrada frequentemente. Com isto, resulta uma falha de comunica¸c˜ao na qual alguns dados podem ser perdidos. Para remediar tais situa¸c˜oes ´e necess´ario que tanto o hardware como o firmware de uma Rede de Sensores Sem Fios seja robusto e tolerante a falhas, pois ´e muito dif´ıcil manter uma rede destas sem qualquer tipo de problemas [5].
• Dinˆamica: Como j´a foi mencionado, um N´o pode ficar inativo devido ao es-gotamento de energia, bem como outras falhas. Por isso, `as vezes existe a
necessidade de mover certos N´os, ou adicionar novos N´os Sensores `a rede, pro-porcionando uma altera¸c˜ao da topologia da rede. Portanto, a topologia destas redes necessita de ter a fun¸c˜ao de reconfigura¸c˜ao e ser dinˆamica. Este ´e mais um dos grandes desafios das RSSF [5].
• Descentraliza¸c˜ao, auto-organiza¸c˜ao: ´E de elevada importˆancia a colabora¸c˜ao dos N´os para se ajustarem, realizarem tarefas e auto-organizarem-se. Deste modo, podem formar uma rede independente, sem um centro de controlo, na qual cada um dos constituintes da rede possui papel idˆentico. ´E importante real¸car que os protocolos necessitam de estar bem definidos para que os N´os possam comunicar e organizarem-se de um modo eficiente [5].
• Comunica¸c˜oes Multi-hop: Os N´os sensores tipicamente apenas comunicam com os N´os vizinhos. Se um N´o necessitar de comunicar com outros N´os que est˜ao fora da sua cobertura, deve faze-lo atrav´es de rotas multi-hop, na qual transmite os dados atrav´es de N´os intermedi´arios. Estes N´os intermedi´arios s˜ao respons´aveis por entregar os dados ao destino. Al´em de fazerem a coleta e envio dos dados recolhidos, os N´os numa RSSF podem atuar como routers de informa¸c˜ao [5].
• Relevˆancia da Aplica¸c˜ao: As Redes de Sensores sem Fios s˜ao altamente de-pendentes da aplica¸c˜ao. Consoante esta, os protocolos s˜ao definidos bem como a organiza¸c˜ao da rede. Independentemente da aplica¸c˜ao, deve-se ter sempre em conta a eficiˆencia energ´etica para estender ao m´aximo o tempo de vida da rede [5].
O projeto de uma RSSF envolve uma s´erie de fatores a serem considerados, tais como a tolerˆancia a falhas, escalabilidade, restri¸c˜oes de hardware, consumo de ener-gia, ambiente de opera¸c˜ao e topologia da rede [6]. Alguns destes desafios s˜ao impor-tant´ıssimos para o funcionamento correto e eficaz da rede.
• Tolerˆancia a falhas: Uma vez que os N´os podem falhar devido `a falta de energia, danos f´ısicos ou interferˆencias ambientais, na qual a comunica¸c˜ao entre
dois N´os pode ser permanentemente interrompida, ´e importante que a rede seja capaz de tolerar tais falhas. Para remediar a falha de um N´o, os restantes N´os necessitam de possuir alternativas para poderem realizar as suas fun¸c˜oes. A falha de um N´o n˜ao deve interromper o correto funcionamento da rede [7]. • Escalabilidade: Uma RSSF pode incluir um elevado n´umero de N´os, por isso,
a rede deve ser implementada no sentido de garantir n˜ao s´o as necessidades atuais bem como poss´ıveis mudan¸cas no futuro, como por exemplo a adi¸c˜ao de mais N´os, sem que seja exercida uma influˆencia negativa sobre a rede. Uma rede deve ser capaz de manter as suas funcionalidades independentemente da quantidade de N´os presentes [7].
• Restri¸c˜oes de hardware: Na escolha dos componentes de hardware de um N´o sensor, os requisitos da aplica¸c˜ao desempenham um fator decisivo no que diz respeito principalmente ao tamanho, custos e consumo de energia. Em algumas aplica¸c˜oes os N´os necessitam de possuir um tamanho muito reduzido, na qual a sua capacidade de comunica¸c˜ao, computa¸c˜ao e energia tamb´em ´e reduzida. Por outro lado, os N´os com grandes capacidades podem proporcionar um trade-off entre os recursos e os custos [7].
• Consumo de energia: O consumo de energia adv´em principalmente do contro-lador, do dispositivo de comunica¸c˜ao e do tipo de Sensores [7]. Para reduzir o consumo de energia ´e de elevada importˆancia a escolha do dispositivo de co-munica¸c˜ao, a configura¸c˜ao do controlador bem como a utiliza¸c˜ao de protocolos de comunica¸c˜ao que permitam uma eficiˆencia energ´etica.
• Ambiente de Opera¸c˜ao: Dependendo da aplica¸c˜ao, os N´os podem ser inseridos por exemplo, num oceano, numa casa, em ve´ıculos, em animais, num campo agr´ıcola, entre outros. Os N´os trabalham sob alta press˜ao quando est˜ao no oce-ano, sob calor ou frio quando se encontram num campo agr´ıcola. Basicamente, atrav´es do ambiente de opera¸c˜ao obt´em-se uma ideia acerca das condi¸c˜oes em que os N´os v˜ao operar e estes necessitam de estar preparados para lidar com os requisitos de cada aplica¸c˜ao [6].
• Topologia da rede: Como os N´os sensores s˜ao suscet´ıveis a falhas e muitas vezes est˜ao em locais inacess´ıveis, a escolha da topologia ´e um aspeto muito importante para o funcionamento correto da rede. Influˆencia a organiza¸c˜ao e conectividade de uma rede, bem como v´arias m´etricas como a escalabilidade, auto-organiza¸c˜ao, capacidade, eficiˆencia energ´etica, tempo de vida da rede, latˆencia, entre outros. A topologia de uma rede varia consoante a aplica¸c˜ao pretendida [8].
O correto funcionamento de uma rede vai depender essencialmente dos fatores acima mencionados. Para que a rede seja tolerante a algumas falhas que possam ocorrer, bem como ser eficientemente energ´etica e escal´avel ´e necess´ario a implementa¸c˜ao de protocolos de comunica¸c˜ao que tenham em aten¸c˜ao estes aspetos.
2.1.1
Arquitetura de Comunica¸
c˜
ao
A arquitetura de uma rede inclui a topologia, a organiza¸c˜ao dos N´os Sensores e do Sink bem como uma vis˜ao global de toda a rede [4]. Tipicamente, o Sink ou BS (Base Station) faz a ponte entre os dados recebidos pela RSSF e o envio dos mesmos pela internet ou por sat´elite. Como foi dito anteriormente, as redes de sensores s˜ao redes colaborativas, na qual, como mostra a Fig. 2.2, a comunica¸c˜ao entre os N´os ´e realizada at´e os dados chegarem ao N´o Sink. Deste modo, evita-se que todos os N´os necessitem de enviar informa¸c˜ao diretamente ao N´o Sink, proporcionando uma diminui¸c˜ao no consumo de energia na transmiss˜ao, pois esta ´e feita apenas para os N´os vizinhos.
A topologia das RSSF exerce uma forte influˆencia na organiza¸c˜ao, conectividade da rede, bem como em v´arias m´etricas tais como a escalabilidade, auto-organiza¸c˜ao, capacidade, eficiˆencia energ´etica, tempo de vida da rede e latˆencia. As arquiteturas Star, Mesh, Tree e Clustered Hierarchical surgiram como uma possibilidade para a topologia das Redes de Sensores Sem Fios [8].
Figura 2.2 – Arquitetura de uma RSSF, baseada em [6].
formas de comunica¸c˜ao, sendo esta feita atrav´es de liga¸c˜oes diretas. Os N´os Sensores s˜ao organizados em torno do Sink, no qual, logicamente e/ou fisi-camente est´a no centro da rede. O Sink pode ser uma Base Station ou um N´o gateway que comunica diretamente com a BS. Uma extens˜ao da topologia Star ´e a Tree, Fig. 2.3, aonde o N´o Sink ´e a ra´ız e os restantes N´os possuem diferentes n´ıveis de hierarquia, na qual comunicam atrav´es de liga¸c˜oes diretas [8]. Cada n´ıvel na Fig. 2.3 ´e uma topologia Star.
Figura 2.3 – Configura¸c˜ao Hierarchical Tree [8].
• Topologia Mesh: S˜ao redes com uma configura¸c˜ao multi-hop, na qual cada N´o Sensor al´em de enviar e receber as suas pr´oprias mensagens tamb´em funciona
como router para retransmitir mensagens aos seus vizinhos atrav´es da rede. Como mostra a Fig. 2.4, um N´o n˜ao necessita de comunicar diretamente com a BS, pois existem m´ultiplos caminhos de comunica¸c˜ao at´e atingir a BS [8].
Figura 2.4 – Configura¸c˜ao Mesh [8].
• Topologia Clustered Hierarchical : Neste tipo de topologia, os N´os possuem informa¸c˜ao acerca dos seus vizinhos, sendo esta informa¸c˜ao utilizada para formar um conjunto de Clusters. Cada Cluster necessita de um Cluster Head (CH), onde o processo de elei¸c˜ao deste pode basear-se em alguns parˆametros, tais como, n´ıvel de energia, proximidade da BS, n´umero de vizinhos, etc. Os CHs podem possuir v´arios n´ıveis de hierarquia, na qual os CHs de um n´ıvel inferior comunicam com CHs do n´ıvel superior, Fig. 2.5. O n´umero de n´ıveis hier´arquicos depende de v´arios fatores tais como a regi˜ao de implementa¸c˜ao, densidade dos N´os, transceiver e ´area de dete¸c˜ao. Apesar de possuir uma estrutura em ´arvore, tendo o Sink como ra´ız, a comunica¸c˜ao dos dados ´e feita via multi-hop, o que difere da topologia Tree [8].
A escolha da topologia depende essencialmente dos requisitos da aplica¸c˜ao. Esta vai determinar a organiza¸c˜ao dos N´os bem como o modo de comunica¸c˜ao para que os dados alcancem o destino. Por´em, para que possa haver comunica¸c˜ao entre os diversos N´os s˜ao necess´arios protocolos de comunica¸c˜ao. Estes s˜ao compostos por um conjunto de regras que determinam como se procede a comunica¸c˜ao na rede. De modo a facilitar a interconex˜ao entre os dispositivos, os protocolos s˜ao organi-zados em camadas. Com isto, surge o particionamento das comunica¸c˜oes em partes
Figura 2.5 – Configura¸c˜ao Clustered Hierarchical [8].
mais pequenas e mais f´aceis de gerir, no qual a rede ´e dividida em partes mais pequenas, permitindo uma melhor compreens˜ao do funcionamento dos sistemas de comunica¸c˜oes em rede.
2.1.2
Camadas e Planos
Para que os N´os da rede possam comunicar ´e estritamente necess´ario existirem pro-tocolos de comunica¸c˜ao. Devido `as propriedades intr´ınsecas das Redes de Sensores sem fio, protocolos tˆem sido desenvolvidos e melhorados para garantir um funcio-namento coerente da rede. O desenvolvimento ´e integrado originando fam´ılias de protocolos. A pilha de protocolos utilizada pelo Sink e pelos restantes N´os Sensores ´e apresentada na Fig. 2.6 [6].
Os protocolos utilizados s˜ao compostos por camadas baseadas no modelo de re-ferˆencia OSI (Open Systems Interconnection) estabelecido pela ISO (International Standard Organization) [4]: Camada F´ısica, Liga¸c˜ao de Dados, Rede, Transporte e Aplica¸c˜ao. Al´em das camadas s˜ao tamb´em definidos o plano de gest˜ao de energia, mobilidade e tarefas.
O Plano de Gest˜ao de Energia ´e respons´avel pela eficiˆencia energ´etica dos N´os Sen-sores. Por exemplo, o N´o depois de receber os dados de um vizinho pode desligar o seu recetor. Evita assim dados duplicados e conserva energia. Al´em disso, quando o n´ıvel de energia de um Sensor ultrapassa um determinado valor, que signifique que possui pouca energia, este pode transmitir aos seus vizinhos que o seu n´ıvel de energia ´e baixo, significando que n˜ao pode participar no encaminhamento dos dados [6]. A energia restante pode ser utilizada para a coleta de dados ou para enviar um alerta `a rede. Quando o Sensor d´a esse alerta, a sua fonte de energia tem que ser mudada e essa informa¸c˜ao tem que ser retransmitida ao administrador da rede. O Plano de Gest˜ao de Mobilidade tem a tarefa de gerir a capacidade de cada N´o co-nhecer os N´os vizinhos. Ao saber quais s˜ao os seus vizinhos, o N´os podem equilibrar a sua energia e tarefas, bem como balancear a utiliza¸c˜ao dos mesmos na transmiss˜ao de dados at´e ao N´o Sink [6].
O Plano de Gest˜ao de Tarefas ´e respons´avel por equilibrar a utiliza¸c˜ao dos N´os Sensores numa determinada regi˜ao. No caso de um N´o Sensor possuir uma maior capacidade de dados, ou de energia, deve executar mais tarefas que os restantes N´os que possuem uma capacidade mais reduzida. Nem sempre ´e poss´ıvel fazer este tipo de gest˜ao, pois poder´a ser necess´ario adquirir dados simultaneamente por todos os N´os [6].
Estes planos s˜ao de elevada importˆancia pois ajudam a prolongar o tempo de vida da rede, atrav´es da eficiˆencia energ´etica e da coopera¸c˜ao entre os N´os sensores. Cada camada da pilha de protocolos fornece um conjunto de fun¸c˜oes necess´arias para que possa haver comunica¸c˜ao, na qual o particionamento desta em camadas permite uma melhor compreens˜ao da rede e uma gest˜ao mais acess´ıvel.
Camada F´ısica
A Camada F´ısica lida com caracter´ısticas mecˆanicas, el´etricas e procedimentos de acesso ao meio f´ısico. Tem a responsabilidade de fazer a sele¸c˜ao de frequˆencias, gerar uma portadora, detetar, modular e codificar o sinal, sendo assim respons´avel pela transmiss˜ao e rece¸c˜ao de pacotes, na qual ´e definida a comunica¸c˜ao dos dispositivos da rede atrav´es do canal de comunica¸c˜ao sem fios [5]. Esta camada est´a relacionada diretamente com as caracter´ısticas intr´ınsecas dos dispositivos de hardware, aonde se deve ter em conta a eficiˆencia energ´etica [4].
Camada de Liga¸c˜ao de Dados
A Camada de Liga¸c˜ao de Dados concentra-se no protocolo MAC (Media Access Control), que efetua uma gest˜ao de comunica¸c˜ao [4]. Controla o acesso ao meio de transmiss˜ao e divide os dados em frames com os respetivos campos de endere¸co.
´
E respons´avel pelo controlo de erro e fluxo, atrav´es da dete¸c˜ao e corre¸c˜ao de erros e configura¸c˜ao/indica¸c˜ao da rece¸c˜ao correta e incorreta das frames (Acknowledge) e (Negative Acknowledge). Por n˜ao existir uma estrutura pr´e-definida nas RSSF, esta camada ´e respons´avel pela cria¸c˜ao de um sistema de identifica¸c˜ao dos N´os que constituem a rede. O principal objetivo desta camada ´e assegurar conex˜oes confi´aveis numa rede, reduzindo as colis˜oes, erros, tendo em conta as restri¸c˜oes e caracter´ısticas especificas das RSSF.
Camada de Rede
A Camada de Rede ´e respons´avel pelo encaminhamento de dados entre os N´os e regula a gera¸c˜ao e sele¸c˜ao de rotas. Sendo assim, a forma de comunica¸c˜ao dos N´os varia consoante os protocolos implementados nesta camada [4]. Os protocolos de routing utilizados necessitam de ser suficientemente robustos pois a efic´acia de uma rede ´e muito dependente da forma como o encaminhamento dos dados ocorre e devem utilizar sempre, da forma mais eficiente poss´ıvel, a energia do N´o sensor. Camada de Transporte
na rede atrav´es de mecanismos de fluxo e congestionamento [4]. Ajuda a manter o fluxo de dados entre a origem e o destino, se a aplica¸c˜ao assim necessitar. Esta camada ´e especialmente necess´aria quando o sistema ´e estruturado para poder ser acedido atrav´es da internet ou outras redes externas [6].
Camada de Aplica¸c˜ao
A camada de Aplica¸c˜ao tem a responsabilidade de tornar o hardware e firmware das outras camadas acess´ıvel (transparente) `a cria¸c˜ao de aplica¸c˜oes necess´arias [5]. Esta camada diz respeito a protocolos de n´ıvel de aplica¸c˜ao que s˜ao de uso comum para as diferentes aplica¸c˜oes. Dependendo da tarefa de dete¸c˜ao, diferentes tipos de software de aplica¸c˜ao podem ser constru´ıdos e utilizados para interagir com a RSSF.
2.2
Protocolos de Comunica¸
c˜
ao
Em detrimento de resolver, pelo menos parcialmente, a complexidade de uma Rede de Sensores Sem Fios, que envolve aspetos como consumo de energia, escalabilidade, coerˆencia dos dados e falhas, protocolos tˆem sido desenvolvidos e constantemente melhorados para garantir um correto funcionamento da rede [6]. Os protocolos ne-cessitam de ser robustos para lidar com estes requisitos impostos pela rede. Um protocolo de comunica¸c˜ao necessita de estabelecer m´etodos de funcionamento e re-gras bem como gerir a forma de comunica¸c˜ao entre os N´os pertencentes `a rede, pois ´e respons´avel pela sincroniza¸c˜ao, controle de erro, controle de fluxo, eficiˆencia energ´etica, escalabilidade, auto-organiza¸c˜ao, transmiss˜ao coerente e eficaz dos da-dos, encaminhamento dos dada-dos, entre outros [9]. Para cada camada do modelo de referˆencia OSI acima mencionado, existem protocolos espec´ıficos que tˆem como ob-jetivo tornar poss´ıvel e eficiente a comunica¸c˜ao entre os v´arios dispositivos da rede. Foram analisados v´arios protocolos de comunica¸c˜ao referentes `a camada de Liga¸c˜ao de Dados e `a camada de Rede.
Este projeto foca-se essencialmente na camada de rede, onde se pretende desenvol-ver um protocolo de routing que permita uma transmiss˜ao de dados fi´avel entre os
diversos N´os da rede, que seja escal´avel e que proporcione uma eficiˆencia energ´etica. Uma vez que os N´os sensores s˜ao distribu´ıdos numa regi˜ao, para que os dados mo-nitorados por esses mesmos N´os sensores se propaguem at´e ao destino, ´e necess´ario criar poss´ıveis rotas entre a origem e o destino.
2.2.1
Protocolos de Comunica¸
c˜
ao da Camada de Liga¸
c˜
ao de
Dados
A camada de Liga¸c˜ao de Dados tem a fun¸c˜ao de identificar bem como corrigir eventuais erros, particionar os dados em frames e controlar o fluxo das mesmas. Os protocolos desta camada s˜ao conhecidos como protocolos de acesso ao meio, ou simplesmente protocolos MAC [10]. Estes influenciam o consumo de energia dos dispositivos da rede, na forma como o meio ´e acedido. Como em todas as camadas, os requisitos desta camada variam de acordo com o tipo de aplica¸c˜ao. Como exemplo, uma rede que tenha como objetivo detetar determinados fen´omenos apenas durante a noite, os N´os sensores durante o dia podem e devem ter o seu transceiver inativo. Por´em, durante a noite, v´arios N´os est˜ao no estado ativo. Se a rede for constitu´ıda por um elevado n´umero de N´os sensores na mesma ´area, a ocorrˆencia de determinado fen´omeno leva a que diversos N´os tentem aceder ao meio para transmitirem os seus dados, o que pode causar colis˜oes. Deste modo, torna-se imprescind´ıvel um controlo de acesso ao meio [10].
A Rede de Sensores Sem Fios desenvolvida tem como base de suporte para comu-nica¸c˜oes a norma IEEE 802.15.4. A comunica¸c˜ao ´e realizada atrav´es de m´odulos XBee, que utilizam como m´etodo de acesso ao meio o CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance).
O m´etodo CSMA/CA ´e baseado em conten¸c˜ao, onde os N´os disputam o acesso ao canal. Este m´etodo ´e mais prop´ıcio `a ocorrˆencia de colis˜oes, por isso os protoco-los baseados neste m´etodo necessitam de quadros de controlo para estabelecer a comunica¸c˜ao entre os v´arios dispositivos [11].
V´arios protocolos tˆem vindo a ser desenvolvidos baseados no m´etodo CSMA/CA.
• Protocolo S-MAC:
O protocolo S-MAC, baseia-se no m´etodo CSMA/CA e utiliza sincroniza¸c˜ao para organizar os modos de opera¸c˜ao de r´adio. Este protocolo destina-se a aplica¸c˜oes dirigidas a eventos e com baixa taxa de envio de mensagens [11]. O m´etodo de comunica¸c˜ao ´e baseado em RTS (Request-To-Send), CTS (Clear-To-Send), DATA e ACK (Acknowledgement). O ciclo de opera¸c˜ao dos N´os corresponde a per´ıodos de tempos fixos, ativo (listen) e repouso (sleep). A Fig. 2.7 demonstra o ciclo de opera¸c˜ao do protocolo.
Figura 2.7– Ciclos de opera¸c˜ao do S-MAC com per´ıodos ativos e de repouso fixos, baseada em [11].
Atrav´es deste ciclo de opera¸c˜ao, cada N´o repousa durante um determinado per´ıodo de tempo. Posteriormente, o N´o acorda e fica `a escuta para ver se tem algum outro N´o que lhe quer transmitir informa¸c˜oes. A dura¸c˜ao do tempo de repouso e de escuta ´e definida com base na aplica¸c˜ao pretendida. Durante o per´ıodo de repouso o N´o mant´em desligado o seu r´adio, no qual acorda mais tarde atrav´es de um temporizador. A sincroniza¸c˜ao dos N´os ´e efetuada atrav´es do envio de um pacote de sincroniza¸c˜ao denominado SYNC. O SYNC cont´em o endere¸co do emissor bem como o tempo do pr´oximo repouso. Este protocolo utiliza t´ecnicas que permitem uma poupan¸ca de energia, que prolongam o tempo de vida da rede, por´em apresenta a desvantagem de utilizar um ciclo de atividade (duty cycle) fixo. Deste modo, n˜ao possui um controle dinˆamico do tempo dos modos de opera¸c˜ao de escuta e repouso [11].
• Protocolo T-MAC:
O protocolo T-MAC ´e similar ao S-MAC. Por´em, resolve a quest˜ao do ciclo de atividade fixo, atrav´es da implementa¸c˜ao de ciclos de atividade e repouso dinˆamicos. Assim, o tempo de idle listening ´e mais reduzido, no qual se obt´em uma diminui¸c˜ao do consumo de energia do N´o. O tempo ativo ´e controlado por um temporizador (Time-Out)e aquando o seu t´ermino, coloca o r´adio em repouso, conforme mostra a Fig. 2.8. O tempo ativo ´e utilizado apenas quando um N´o for transmitir ou receber pacotes.
Figura 2.8 – Ciclos de opera¸c˜ao do T-MAC utilizando tempo ativo dinˆamico, baseada em [11].
Do mesmo modo que o S-MAC, a comunica¸c˜ao dos N´os ´e feita com o di´alogo RTS, CTS, DATA, ACK de modo a evitar colis˜oes. Os N´os transmitem as suas informa¸c˜oes de comunica¸c˜ao atrav´es de pacotes SYNC. Esta transmiss˜ao ´e feita para os N´os vizinhos. A renova¸c˜ao do tempo de Time-Out ´e feita atrav´es da rece¸c˜ao de pacotes RTS ou CTS. O tempo de Time-Out ´e determinado pelo tamanho do esquema de conten¸c˜ao do RTS-CTS-DATA-ACK, pelo tamanh˜ao de um pacote RTS e o tempo entre o final de um pacote RST e in´ıcio de um pacote CTS [11].
2.2.2
Protocolos de Comunica¸
c˜
ao da Camada de Rede
A principal fun¸c˜ao da camada de rede ´e prover o servi¸co de routing, na qual a rede tem de estar preparada para identificar o destinat´ario das mensagens e encontrar
um caminho entre a origem e o destino desta mensagem. O planeamento de uma RSSF depende do seu objetivo e ´area de aplica¸c˜ao, pois a aplica¸c˜ao influenciar´a diretamente nas fun¸c˜oes exercidas pelos N´os da rede, assim como a arquitetura desses N´os. Assim sendo, consoante a aplicabilidade e arquitetura de rede, os protocolos de routing diferem [12]. O routing apresenta alguns desafios e algumas quest˜oes acerca do seu design. Como foi referido anteriormente, uma Rede de Sensores sem Fios apresenta algumas restri¸c˜oes, que afetam os protocolos de todas as camadas. Um dos objetivos destas redes ´e realizar uma comunica¸c˜ao de dados eficiente enquanto se tenta prolongar o tempo de vida da rede atrav´es da utiliza¸c˜ao de t´ecnicas de gest˜ao de energia. O design dos protocolos de routing ´e influenciado por alguns fatores, tais como [12]:
• Implanta¸c˜ao do N´o: A implanta¸c˜ao do N´o, que ´e dependente da aplica¸c˜ao, pode ser determinista ou aleat´oria. Na primeira, os sensores s˜ao colocados deterministicamente e os dados s˜ao encaminhados atrav´es de caminhos pr´e-determinados. Na implanta¸c˜ao aleat´oria, os sensores s˜ao espalhados aleatori-amente, criando uma infraestrutura de routing Ad Hoc. Se a distribui¸c˜ao re-sultante dos N´os n˜ao for uniforme, a utiliza¸c˜ao de clusters torna-se necess´aria para permitir a conetividade e a eficiˆencia energ´etica. A comunica¸c˜ao entre N´os sensores ´e normalmente curta bem como as faixas de transmiss˜ao devido `a limita¸c˜ao de energia e de largura de banda. Portanto, ´e mais prov´avel que a rota consista em m´ultiplos hops [12].
• Consumo de energia sem perdas de precis˜ao: As formas de conserva¸c˜ao de energia relativamente `a comunica¸c˜ao bem como computa¸c˜ao s˜ao essenciais. A vida de um N´o sensor est´a fortemente dependente do tempo de vida ´util da bateria. Numa RSSF multi-hop, cada N´o pode servir como remetente de dados bem como router de dados. O mau funcionamento de alguns N´os sensores devido `a falha de energia podem causar mudan¸cas de topologia significantes, sendo necess´ario a retransmiss˜ao de pacotes e a reorganiza¸c˜ao da rede.
• M´etodo de comunica¸c˜ao de dados: Como tudo est´a dependente da aplica¸c˜ao, a comunica¸c˜ao de dados n˜ao ´e exce¸c˜ao, dependendo tamb´em do tempo cr´ıtico
dos dados. A comunica¸c˜ao de dados pode ser categorizada como Time-Driven, Event-Driven, Query-Driven ou Hybrid [12]. O m´etodo Time-Driven ´e ade-quado para aplica¸c˜oes que requerem uma peri´odica monitoriza¸c˜ao dos dados. Como tal, os N´os sensores periodicamente ativam os seus transmissores e sen-sores, monitorizam o ambiente e enviam os dados num per´ıodo de tempo cons-tante e peri´odico. Nos m´etodos Event-Driven e Query-Driven, os N´os sensores reagem imediatamente a uma s´ubita altera¸c˜ao no valor de um atributo dete-tado devido `a ocorrˆencia de um determinado evento, ou como resposta a uma consulta gerada pela BS ou outro N´o na rede. Como tal, estes m´etodos s˜ao adequados para aplica¸c˜oes de tempo critico e uma combina¸c˜ao destes tamb´em ´e poss´ıvel.
• Tolerˆancia a Falhas: Os N´os sensores podem falhar devido `a falta de energia, danos f´ısicos ou interferˆencias ambientais. A falha de N´os n˜ao deve afetar a tarefa geral da rede de sensores. Se ocorrer a falha de alguns N´os, os protocolos de routing devem acomodar a forma¸c˜ao de novas liga¸c˜oes e rotas para que os dados sejam entregues `a BS. Atrav´es disto, pode ser necess´ario ajustar a transmiss˜ao para reduzir o consumo de energia, ou o reencaminhamento de pacotes atrav´es de regi˜oes da rede aonde exista mais energia dispon´ıvel. • Escalabilidade: O n´umero de N´os implantados numa ´area pode estar na ordem
das centenas, ou mais. Por isso, qualquer esquema de routing deve ser capaz de trabalhar com um elevado n´umero de N´os sensores. Al´em disso, os protocolos de routing devem ser escal´aveis o suficiente para responder aos eventos no ambiente.
• Dinˆamica da rede: Em algumas situa¸c˜oes, os N´os sensores s˜ao fixos. No en-tanto, em algumas aplica¸c˜oes, tanto os N´os como a BS podem ser m´oveis. Como tal, as mensagens de routing para a mobilidade dos N´os ´e mais desa-fiante uma vez que as rotas e a estabilidade topol´ogica se tornam quest˜oes importantes, al´em da energia, largura de banda, entre outros. Al´em disso, o fen´omeno pode ser m´ovel (aplica¸c˜ao de dete¸c˜ao/ rastreamento de alvos). • Agrega¸c˜ao dos dados: Uma vez que os N´os podem gerar dados redundantes,
pacotes semelhantes a partir de m´ultiplos N´os podem ser agregados por forma a reduzir o n´umero de transmiss˜oes. A supress˜ao de duplicados por exemplo, ´e uma das t´ecnicas utilizadas para poupar energia.
Classifica¸c˜ao dos Protocolos de routing
Como mostra a Fig. 2.9, em geral os protocolos de routing podem ser classificados de acordo com a estrutura da rede como Flat-Based Routing, Hierarchical-Based Routing e Location-Based Routing. Al´em disso, estes protocolos podem ser clas-sificados em Multipath-Based, Query-Based, Negotiation-Based, Quality of Service, e Cohrent-Based. Estas t´ecnicas de routing dependem da opera¸c˜ao do protocolo. Al´em do referido, os protocolos de routing podem ser classificados em trˆes catego-rias, Proactive, Reactive, Hybrid, dependendo de como a fonte encontra uma rota para o destino [12]. Nos protocolos Proactive as rotas s˜ao calculadas antes de se-rem necess´arias, enquanto que nos protocolos Reactive as rotas s˜ao calculadas On-Demand. Os protocolos Hybrid utilizam uma combina¸c˜ao dos protocolos referidos anteriormente. Quando os N´os sensores s˜ao est´aticos, ´e prefer´ıvel utilizar um proto-colo Proactive em vez de um protoproto-colo Reactive, pois uma quantidade significativa de energia ´e utilizada na descoberta de rotas e configura¸c˜ao dos protocolos Reactive. Quando o n´umero de N´os ´e muito elevado e visto que estes s˜ao pobres a n´ıvel de recursos ´e necess´ario ter em aten¸c˜ao ao espa¸co de armazenamento de tabelas de routing relativamente grandes.
Protocolos Baseados na Estrutura de Rede
Como mostra a Fig. 2.10, os protocolos de routing s˜ao classificados consoante a estrutura de rede, como Flat-Based Routing, Hierarchical-Based Routing e Location-Based Routing.
Flat-Based Routing
A primeira categoria dos protocolos de routing s˜ao os protocolos multi-hop flat rou-ting. Em redes Flat, cada N´o desempenha tipicamente o mesmo papel e os N´os
Figura 2.9 – Classifica¸c˜ao dos Protocolos de routing, baseada em [12].
Figura 2.10 – Protocolos baseados na estrutura de rede, baseada em [12].
sensores trabalham coordenados para realizar as tarefas de dete¸c˜ao. Neste tipo de routing (Data-Centric), os dados s˜ao centralizados, na qual a BS envia consultas a certas regi˜oes e aguarda os dados dos sensores localizados em certas regi˜oes [12].
• SPIN
O SPIN, assume que todos os N´os s˜ao potenciais Sinks, na qual, de uma forma eficiente dissemina informa¸c˜ao entre os N´os numa rede de energia limitada. Cada N´o utiliza meta-dados, ou seja, descritores de alto-n´ıvel, para nomear os seus dados e utiliza negocia¸c˜oes para eliminar a transmiss˜ao de dados redundante na rede. A negocia¸c˜ao dos meta-dados resolve o cl´assico problema de inunda¸c˜ao, conseguindo assim uma eficiˆencia energ´etica. Para a comunica¸c˜ao entre os N´os sensores s˜ao usa-dos trˆes tipos de mensagens, ADVertise, REQuest e DATA. O ADV ´e utilizado para
anunciar novos dados, REQ para solicitar dados e DATA s˜ao os dados propriamente ditos. O protocolo ´e inicializado quando um N´o SPIN obt´em dados novos e quer compartilha-los. F´a-lo, fazendo o broadcast de uma mensagem ADV que cont´em os meta-dados. Se um vizinho estiver interessado nos dados, envia uma mensagem REQ. O N´o que cont´em os dados reponde `a requisi¸c˜ao com uma mensagem DATA. Depois de receber os dados, repete o processo com os seus vizinhos. Este protocolo apresenta algumas desvantagens, n˜ao ´e escal´avel, os N´os em torno do Sink podem esgotar a bateria rapidamente se o Sink estiver interessado em demasiados eventos al´em de que os eventos s˜ao sempre enviados para toda a rede [13].
• Directed Diffusion
´
E um paradigma de agrega¸c˜ao de dados DC (Data-Centric) [12], onde os dados dos N´os sensores s˜ao nomeados por atribute-value pairs. A principal ideia do paradigma DC ´e combinar os dados provenientes de diferentes fontes em rota (em rede de agrega¸c˜ao) eliminando a redundˆancia, minimizando o n´umero de transmiss˜oes, no qual se obt´em uma diminui¸c˜ao no consumo de energia. O routing DC encontra rotas a partir de m´ultiplas fontes para um destino. Neste m´etodo, os sensores medem eventos e criam gradientes de informa¸c˜ao. A BS requisita os dados fazendo o broadcast de interesses. Um interesse descreve uma tarefa a ser realizada pela rede e difunde-se pela rede hop por hop no qual ´e transmitido por cada N´o aos seus vizinhos. Como ´e propagado pela rede, os gradientes s˜ao criados para extrair os dados correspondentes `a consulta do N´o que requisita essa informa¸c˜ao (por exemplo, a BS pode fazer uma consulta de dados atrav´es da divulga¸c˜ao de interesses e os n´os intermedi´arios propagam esses interesses). Cada N´o que recebe o interesse estabelece um gradiente para o N´o sensor de onde recebeu o interesse. Este processo continua at´e que os gradientes s˜ao estabelecidos a partir das fontes de volta para a BS. Geralmente, um gradiente espec´ıfica um valor de atributo e dire¸c˜ao. Na Fig. 2.11
est´a exemplificado o trabalho da Directed Diffusion (envio de interesses, constru¸c˜ao de gradientes e propaga¸c˜ao dos dados).
Figura 2.11 – Directed Diffusion [12].
Quando os interesses servem gradientes, caminhos de fluxo de informa¸c˜ao s˜ao for-mados a partir de m´ultiplos caminhos, e, em seguida, os melhores caminhos s˜ao refor¸cados para evitar mais inunda¸c˜oes. A Directed Diffusion permite economizar energia devido `a sele¸c˜ao de bons caminhos al´em do processamento e cache dos da-dos na rede. O cache pode aumentar a eficiˆencia, robustez e a escalabilidade da coordena¸c˜ao entre os N´os sensores, que ´e a essˆencia deste paradigma. Outra uti-liza¸c˜ao da Directed Diffusion ´e espontaneamente propagar um evento importante para algumas sec¸c˜oes da rede.
A Directed Diffusion apresenta algumas diferen¸cas em rela¸c˜ao ao SPIN. Esta emite consulta de dados On-Demand como a BS envia consultas aos N´os sensores atrav´es da inunda¸c˜ao de algumas tarefas. No SPIN, no entanto, os sensores anunciam a dis-ponibilidade dos dados, permitindo que os N´os interessados consultem esses dados. Todas as comunica¸c˜oes na Directed Diffusion s˜ao feitas de vizinho para vizinho no qual cada N´o possui a capacidade de executar a agrega¸c˜ao de dados e cache. Hierarchical-Based Routing
O m´etodo Hierarchical Routing ou Cluster-Based, apresenta vantagens especiais re-lacionadas com a escalabilidade e comunica¸c˜ao eficiente. Os N´os com mais ener-gia podem ser usados para processamento e envio de informa¸c˜ao, enquanto que os N´os com menor energia podem ser utilizados para o sensoriamente em quest˜ao. A cria¸c˜ao de clusters e atribui¸c˜ao de tarefas especiais contribui para a escalabilidade
do sistema, durabilidade e eficiˆencia energ´etica. O Hierarchical Routing ´e uma ma-neira eficiente de diminuir o consumo de energia dentro de um cluster, realizando a agrega¸c˜ao de dados, a fim de diminuir o n´umero de mensagens transmitidas `a BS. Este tipo de routing ´e principalmente constitu´ıdo por duas camadas de routing, aonde uma das camadas ´e utilizada para selecionar os CHs e a outra ´e usada para o routing [12].
• LEACH
O LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) ´e um protocolo baseado em clusters, que inclui a forma¸c˜ao de clusters distribu´ıdos, Fig. 2.12. Alguns N´os sensores s˜ao aleatoriamente selecionados como CHs e esta regra roda para uniforme-mente distribuir energia entre os N´os da rede. No LEACH, os N´os CHs comprimem os dados que chegam dos N´os que pertencem ao seu cluster e enviam um pacote agregado `a BS, a fim de reduzir a quantidade de informa¸c˜ao que deve ser transmi-tida `a BS. Como acesso ao meio utiliza TDMA/CDMA a fim de reduzir as colis˜oes inter-clusters e intra-clusters. No entanto, a recolha de dados ´e centralizada e exe-cutada periodicamente. Por isto, este protocolo ´e mais apropriado para situa¸c˜oes na qual h´a uma necessidade de monitoriza¸c˜ao constante dos sensores. No caso de a aplica¸c˜ao n˜ao necessitar de todos os dados imediatamente, a transmiss˜ao de dados peri´odicos ´e desnecess´aria [12].
A opera¸c˜ao do LEACH ´e separada em duas fases, Setup-Phase e Steady State Phase. Na Setup-Phase, os clusters s˜ao organizados e os clusters-heads s˜ao selecionados. Na Steady State Phase, a transferˆencia de dados toma lugar.
Durante a Setup-Phase, uma determinada fra¸c˜ao de N´os, elegem-se como CHS. Todos os CHs eleitos transmitem uma mensagem de an´uncio aos restantes N´os na rede comunicando que s˜ao os novos CH. Todos os N´os n˜ao clusters-Heads, depois de receberem este an´uncio, decidem qual o cluster a que querem pertencer. Esta decis˜ao ´e tomada com base na intensidade do sinal. Os N´os n˜ao CH informam os CHs apropriados que v˜ao ser um membro do cluster. Depois de receberem todas as mensagens dos N´os que gostariam de ser inclu´ıdos no cluster e com base no n´umero de N´os de um cluster, os n´os CHs criam um calend´ario TDMA e atribuem a cada N´o um time slot no qual ele pode transmitir. Este calend´ario ´e transmitido para todos os N´os do cluster.
Durante a Steady State Phase, os N´os sensores podem come¸car a dete¸c˜ao e a trans-mitir dados para os CHs. O N´o CH, depois de receber todos os dados, agrega-os antes de enviar `a BS. Depois de um determinado per´ıodo de tempo, determinado `a priori, a rede volta ´a Setup-Phase novamente e inicializa outra ronda de sele¸c˜ao de CHs. Cada cluster comunica utilizando diferentes c´odigos CDMA para reduzir a interferˆencia de outros n´os pertencentes a outros clusters.
Embora o LEACH seja capaz de aumentar o tempo de vida da rede, ainda h´a uma s´erie de quest˜oes sobre os pressupostos utilizados neste protocolo. O LEACH assume que todos os N´os podem transmitir, com energia suficiente, para alcan¸car a BS se ne-cess´ario e que cada n´o tem poder computacional para suportar diferentes protocolos MAC. Portanto, n˜ao ´e aplic´avel a redes implementadas em grandes regi˜oes. N˜ao ´e percet´ıvel como o n´umero predeterminado de CHs vai ser uniformemente distribu´ıdo pela rede. Portanto, existe a possibilidade que os CHs eleitos estejam concentrados numa parte da rede, da´ı, alguns N´os n˜ao ter˜ao CHs na sua vizinhan¸ca. Al´em disso, a ideia de clusters dinˆamicos traz um overhead extra (mudan¸cas de CHs, an´uncios, etc), no qual pode diminuir o ganho em consumo de energia. Por fim, o protocolo
assume que todos os N´os come¸cam com a mesma quantidade e capacidade de ener-gia em cada ronda de elei¸c˜ao, assumindo que um CH consome aproximadamente a mesma quantidade de energia para cada N´o.
A Tabela 2.1, adaptada de [12] compara SPIN, LEACH e Directed Diffusion de acordo com diferentes parˆametros.
SPIN LEACH Directed Diffusion Optimal Route No No Yes
Network Lifetime Good Very Good Good Resource Awareness Yes Yes Yes
Use of Meta-Data Yes No Yes
Tabela 2.1– Compara¸c˜ao entre SPIN, LEACH e Directed Diffusion.
• PEGASIS
O PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems) ´e um pro-tocolo Chain-based [12], Fig. 2.13. Este protocolo pretende estender o tempo de vida da rede. Para tal, os N´os apenas necessitam de comunicar com os seus vizinhos mais pr´oximos e eles se revezam na comunica¸c˜ao com a BS. Quando a ronda de comunica¸c˜ao de todos os N´os com a BS termina, uma nova ronda come¸ca e assim por diante. Com isto, h´a uma redu¸c˜ao da energia necess´aria para transmitir dados por ronda, al´em de que a energia ´e gasta uniformemente pelos N´os. PEGASIS tem dois objetivos principais, aumentar o tempo de vida ´util de cada N´o, atrav´es da utiliza¸c˜ao de t´ecnicas colaborativas bem como permitir apenas a colabora¸c˜ao local entre N´os que est˜ao perto para que a largura de banda consumida na comunica¸c˜ao seja reduzida. Ao contr´ario do LEACH, PEGASIS evita a forma¸c˜ao de clusters e utiliza apenas um N´o na cadeia para transmitir `a BS em vez de m´ultiplos N´os. Para localizar o N´o vizinho mais pr´oximo, cada N´o utiliza a potˆencia do sinal para medir a distˆancia de todos os N´os vizinhos e em seguida, ajusta a potˆencia do sinal para que somente um N´o seja ouvido. A cadeia no PEGASIS consiste nos N´os que est˜ao
pr´oximos uns dos outros e formam um caminho para a BS. Os dados s˜ao enviados `a BS por qualquer N´o na cadeia, alternando-se para o envio dos mesmos.
Resultados de simula¸c˜oes mostram que o PEGASIS ´e capaz de aumentar o tempo de vida da rede, mais do que o LEACH [12]. O ganho de desempenho ´e conseguido atrav´es da elimina¸c˜ao do overhead causado pela forma¸c˜ao de clustersdinˆamicos no LEACH, bem como a diminui¸c˜ao do n´umero de transmiss˜oes e rece¸c˜oes atrav´es da agrega¸c˜ao dos dados.
Figura 2.13 – Hierarchical Routing Chains Based [14].
Apesar de o overhead da forma¸c˜ao de clusters seja evitado, o PEGASIS ainda requer um ajuste na topologia dinˆamica, uma vez que um N´o necessita de conhecer o estado de energia dos seus vizinhos a fim de saber a rota para os seus dados. Tal ajuste na topologia pode introduzir um overhead significativo, especialmente para redes muito utilizadas. Al´em disso, o PEGASIS assume que cada N´o ´e capaz de comunicar diretamente com a BS. Assume tamb´em que cada N´o mant´em uma base de dados completa da localiza¸c˜ao de todos os N´os na rede e que todos possuem o mesmo n´ıvel de energia. ´E de notar que o PEGASIS introduz um atraso excessivo para os N´os distantes na cadeia, al´em de que, um ´unico l´ıder pode tornar-se n˜ao muito eficaz. Apesar da maioria dos cen´arios os N´os serem im´oveis, como o PEGASIS assume, alguns sensores podem ser m´oveis o que pode afetar a funcionalidade do protocolo. Uma extens˜ao ao PEGASIS, chamado de Hierarchical PEGASIS tem como objetivo diminuir o atraso dos pacotes durante a transmiss˜ao para a BS, Fig. 2.14. Para este
efeito, transmiss˜oes simultˆaneas de dados foram analisadas a fim de evitar colis˜oes [14]. Apenas os N´os separados espacialmente s˜ao autorizados a transmitir ao mesmo tempo. O protocolo baseado em cadeia com N´os que possuem capacidades CDMA, constroem uma cadeia que formam uma hierarquia em ´arvore, na qual, cada N´o selecionado em um n´ıvel particular transmite os dados a um N´o em um n´ıvel superior da hierarquia. Com isto, ´e assegurada a transmiss˜ao de dados em paralelo e uma redu¸c˜ao significativo do atraso. Esta extens˜ao possui um melhor desempenho que o PEGASIS.
Figura 2.14 – Hierarchical Routing Clustering and Chains Based [14].
• TEEN e APTEEN
Dois protocolos de routing hier´arquicos chamados de TEEN (Threshold-Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol) APTEEN (Adpative Periodic Threshold-Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol) s˜ao propostos para aplica¸c˜oes de tempo cr´ıtico [12].
No TEEN, os N´os sensores monitorizam o meio de uma forma cont´ınua, mas a transmiss˜ao de dados ´e feita com menos frequˆencia. Quando ´e efetuada a troca de CH, este envia aos seus membros determinados limiares, um deles denominado de HT (Hard Threshold), que ´e o valor limite de um atributo no qual deve ser transmitido e um ST (Soft Threshold), que ´e uma varia¸c˜ao no valor dos atributos detetados que faz com que o N´o ligue o transmissor e transmita. Assim, o Hard Threshold tenta
reduzir o n´umero de transmiss˜oes permitindo aos N´os transmitir apenas quando o atributo detetado est´a no intervalo de interesse. O Soft Threshold reduz ainda mais o n´umero de transmiss˜oes que poderiam ocorrer quando existe pouca ou nenhuma altera¸c˜ao no atributo detetado. Quando h´a uma mudan¸ca de CHs, novos valores dos parˆametros acima s˜ao transmitidos. A principal desvantagem deste m´etodo ´e que se os limites n˜ao s˜ao recebidos, os N´os nunca v˜ao comunicar e o utilizador n˜ao ter´a os dados de toda a rede.
Os N´os monitorizam o ambiente de uma forma continua. A primeira vez que um parˆametro de um conjunto de atributos atinge o Hard Threshold, o N´o liga o trans-missor e envia os dados detetados. O valor detetado ´e armazenado numa vari´avel chamada de SV (Sensed Value), Fig. 2.15. Os N´os transmitem os dados no atual per´ıodo do cluster somente quando as seguintes condi¸c˜oes s˜ao verdadeiras:
• O valor atual do atributo detetado ´e maior que o Hard Threshold ;
• O valor atual do atributo detetado difere do SV por uma quantidade igual ou maior que o Soft Threshold.
A utiliza¸c˜ao de limiares proporciona uma redu¸c˜ao do n´umero de transmiss˜oes e uma vez que a transmiss˜ao consome mais energia que a monitoriza¸c˜ao dos dados, o consumo de energia neste esquema ´e menor do que em redes Proactive, uma vez que o N´o apenas transmite quando existe informa¸c˜ao de interesse.
O APTEEN, por outro lado, ´e um protocolo Hybrid que altera a periodicidade ou os limiares utilizados no TEEN de acordo com as necessidades e tipo de aplica¸c˜ao. No APTEEN, os CHs transmitem os seguintes parˆametros:
• Attributes(A): Conjunto de parˆametros f´ısicos no qual o utilizador est´a inte-ressado em obter informa¸c˜oes;
Figura 2.15 – Fluxograma da opera¸c˜ao do TEEN, baseado em [15].
• Count Time(CT): Per´ıodo de tempo m´aximo entre dois relat´orios sucessivos enviados por um N´o.
Os N´os monitorizam o ambiente de forma cont´ınua e apenas os N´os que detetam um valor de dados at´e ou al´em do HT transmitem. Uma vez que um N´o deteta um valor al´em do HT, transmite os dados apenas quando o valor desse atributo se altera para um montante igual ou superior que o ST. Se um N´o n˜ao enviar dados por um per´ıodo de tempo igual ao CT, ´e for¸cado a monitorizar e a retransmitir os dados, Fig. 2.16. Uma agenda TDMA ´e utilizada, e a cada N´o do cluster ´e atri-buido um slot de transmiss˜ao. Deste modo, o APTEEN utiliza uma agenda TDMA modificada para implementar uma rede Hybrid. As principais caracter´ısticas deste m´etodo inclui a combina¸c˜ao de pol´ıticas Proactive e Reactive oferecendo alguma flexibilidade, pois permite ao utilizador definir o intervalo CT, bem como o HT e ST. A principal desvantagem deste esquema ´e a adicional complexidade necess´aria para implementara s fun¸c˜oes dos limiares e do CT.
Figura 2.16 – Fluxograma da opera¸c˜ao do APTEEN, baseado em [15].
As experiencias mostram que a performance do APTEEN est´a entre o LEACH e o TEEN em termos de dissipa¸c˜ao de energia e tempo de vida da rede. O TEEN proporciona uma melhor performance, uma vez que diminui o n´umero de trans-miss˜oes [12]. As principais desvantagens destas duas abordagens s˜ao o overhead e a complexidade associada `a forma¸c˜ao de clusters em m´ultiplos n´ıveis, bem como a implementa¸c˜ao das fun¸c˜oes com base no limiar .
Location-Based Routing Protocols
Neste tipo de routing, os protocolos utilizam a informa¸c˜ao de localiza¸c˜ao dos N´os para determinar o melhor encaminhamento dos dados. A distˆancia entre N´os vizi-nhos pode ser estimada com base na potˆencia do sinal de entrada. As coordenadas relativas dos N´os vizinhos podem ser obtidas atrav´es da troca de informa¸c˜ao entre vizinhos. Alternativamente, a localiza¸c˜ao dos N´os pode ser descoberta atrav´es da liga¸c˜ao a um sat´elite utilizando GPS (Global Positioning System). Para tal, os N´os necessitam de ser equipados com GPS. Para poupar energia, alguns esquemas ba-seados em localiza¸c˜ao exigem que os N´os devem entrar no estado de sleep se n˜ao houver qualquer atividade [12].
![Figura 2.2 – Arquitetura de uma RSSF, baseada em [6].](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/16014993.1103976/36.892.237.745.176.487/figura-arquitetura-de-uma-rssf-baseada-em.webp)
![Figura 2.6 – Pilha de Protocolos de Comunica¸c˜ ao de uma RSSF [6].](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/16014993.1103976/38.892.371.615.786.1041/figura-pilha-de-protocolos-de-comunica-uma-rssf.webp)
![Figura 2.9 – Classifica¸c˜ ao dos Protocolos de routing, baseada em [12].](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/16014993.1103976/48.892.255.730.186.411/figura-classifica-ao-dos-protocolos-de-routing-baseada.webp)
![Figura 2.11 – Directed Diffusion [12].](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/16014993.1103976/50.892.269.711.169.384/figura-directed-diffusion.webp)
![Figura 2.15 – Fluxograma da opera¸c˜ ao do TEEN, baseado em [15].](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/16014993.1103976/57.892.227.612.180.517/figura-fluxograma-da-opera-ao-do-teen-baseado.webp)
![Figura 2.16 – Fluxograma da opera¸c˜ ao do APTEEN, baseado em [15].](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/16014993.1103976/58.892.313.699.181.516/figura-fluxograma-da-opera-ao-do-apteen-baseado.webp)
![Figura 2.18 – Protocolo DSR [19].](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/16014993.1103976/65.892.185.599.403.630/figura-protocolo-dsr.webp)
![Figura 2.19 – Protocolo AODV [19]](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/16014993.1103976/66.892.267.705.361.587/figura-protocolo-aodv.webp)
![Figura 2.20 – Transmiss˜ ao de pacotes utilizando MPR [20].](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/16014993.1103976/68.892.290.690.176.421/figura-transmiss-ao-de-pacotes-utilizando-mpr.webp)
