DISSERTAÇÃO Coexistência em redes de sensores

Texto

(1)THIAGO FLORIANO WYKRET. ˆ COEXISTENCIA EM REDES DE SENSORES ´ ˜ DINAMICA ˆ SEM FIO: TECNICAS DE SELEC ¸ AO DE CANAIS. LAVRAS - MG 2014.

(2) THIAGO FLORIANO WYKRET. ˆ COEXISTENCIA EM REDES DE SENSORES SEM FIO: ´ ˜ DINAMICA ˆ TECNICAS DE SELEC ¸ AO DE CANAIS. Disserta¸c˜ ao apresentada ` a Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de P´ os-Gradua¸c˜ ao em Ciência da Computa¸c˜ ao, ´ area de concentra¸c˜ ao em Redes de Computadores e Sistemas Embarcados, para a obten¸c˜ ao do t´ıtulo de Mestre.. Orientador Dr. Luiz Henrique Andrade Correia. LAVRAS - MG 2014.

(3) Ficha Catalográfica Elaborada pela Coordenadoria de Produtos e Serviços da Biblioteca Universitária da UFLA. Wykret, Thiago Floriano. Coexistência em redes de sensores sem fio : técnicas de seleção dinâmicas de canais / Thiago Floriano Wykret. – Lavras : UFLA, 2014. 74 p. : il. Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Lavras, 2014. Orientador: Luiz Henrique Andrade Correia. Bibliografia. 1. Redes de sensores sem fio. 2. Interferência. 3. Coexistência. 4. Redes sem fio. 5. Seleção de canal. I. Universidade Federal de Lavras. II. Título. CDD – 004.6.

(4) THIAGO FLORIANO WYKRET. ˆ COEXISTENCIA EM REDES DE SENSORES SEM FIO: ´ ˜ DINAMICA ˆ TECNICAS DE SELEC ¸ AO DE CANAIS. Disserta¸c˜ ao apresentada ` a Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de P´ os-Gradua¸c˜ ao em Ciência da Computa¸c˜ ao, ´ area de concentra¸c˜ ao em Redes de Computadores e Sistemas Embarcados, para a obten¸c˜ ao do t´ıtulo de Mestre.. APROVADA em 27 de fevereiro de 2014. Dr. Bruno Henrique Groenner Barbosa. UFLA. Dr. Carlos de Castro Goulart. UFV. Dr. Luiz Henrique Andrade Correia Orientador. LAVRAS - MG 2014.

(5) ` minha amada e companheira B´ A arbara, que esteve comigo em todos os momentos dando o apoio fundamental para que o sucesso fosse alcan¸cado..

(6) AGRADECIMENTOS Agrade¸co a Deus por me dar a for¸ca e a determina¸c˜ ao necess´ a` minha amada companheira B´ rias. A arbara, por todo amor, incentivo e suporte dedicados a mim. Serei eternamente grato pelo amor e paciência incondicionais recebidos de você, que soube compreender meus momentos de ausência e de dificuldade em que fraquejei. Agrade¸co a você por todos os sacrif´ıcios e as ora¸c˜ oes para que eu pudesse concluir este mestrado. Aos meus pais, Heron e Abadia, e minhas av´ os, Diva e Francisca, que sempre me apoiaram e incentivaram meus estudos. Ao meu orientador, Prof. Luiz Henrique, pelo tema da disserta¸c˜ ao, pela paciência, pela enorme dedica¸c˜ ao a este trabalho e por compreender a minha necessidade de dividir o tempo entre o mestrado e o trabalho na DGTI. Aos colegas e amigos da DGTI pela colabora¸c˜ ao, principalmente Thiago Ramos, Anderson, Marcos, Clayton e Pl´ınio que ficaram sobrecarregados para me ajudar. Agrade¸co ao Diretor da DGTI, Erasmo, por todo o incentivo e apoio. Aos amigos Antˆ onio Rafael e Vladimir pelas v´ arias horas de convivência e estudos, madrugadas na UFLA e por todo o apoio m´ utuo para ` Universidade Federal de Lavras que o sucesso fosse alcan¸cado. A pelo apoio e incentivo, principalmente ao reitor Prof. José Roberto Scolforo que me proporcionou a oportunidade de cursar ` Capes pelo imprescind´ıvel apoio financeiro. este mestrado. A.

(7) RESUMO Devido ao desenvolvimento e ` a populariza¸c˜ ao de dispositivos m´ oveis nos u ´ltimos anos, a demanda por comunica¸c˜ ao sem fio tem aumentado cada vez mais. Uma ampla variedade de aplica¸c˜ oes est´ a sendo desenvolvida para redes sem fio, inclusive para redes de sensores sem fio (RSSF). No entanto, as redes de sensores sem fio e v´ arios outros sistemas atuais de comunica¸c˜ ao utilizam o mesmo espectro de frequências livres, o ISM (Industrial, Scientifical and Medical ). A faixa de frequência de 2,4 GHz é amplamente utilizada em uma série de tecnologias sem fio (redes de sensores sem fio, redes WiFi, Bluetooth, telefones sem fio, etc.) que devem coexistir. A interferência de sinais eletromagnéticos, intencional ou n˜ ao, representa uma grave amea¸ca ` a disponibilidade de servi¸cos em redes sem fio (podendo até mesmo inviabilizar o funcionamento delas), sendo uma das principais causas da sua perda de desempenho. Este trabalho prop˜ oe a avalia¸c˜ ao do comportamento de redes de sensores sem fio na presen¸ca de fontes de interferência em cen´ arios reais, a prototipa¸c˜ ao de um n´ o sensor multirr´ adio como alternativa para mitigar os problemas de interferência e o desenvolvimento de dois protocolos de sensoriamento e decis˜ ao de espectro. Esses protocolos foram baseados no protocolo T-MAC (Time-out-MAC ) e implementados no simulador Castalia, chamados de DSCMAC (Dynamic Selection Channel MAC ) e DSCMAC-AHP (Dynamic Selection Channel MAC - AHP ) que permitem a utiliza¸c˜ ao oportunista do meio de transmiss˜ ao. Os resultados dos experimentos pr´ aticos mostraram que a coexistência de RSSFs com outros dispositivos que operam na faixa de frequência de 2,4 GHz reduzem significativamente o desempenho dessas redes. A utiliza¸c˜ ao do prot´ otipo multirr´ adio, nos mesmos cen´ arios e sob as mesmas condi¸c˜ oes de interferência dos n´ os tradicionais, proporcionou melhorias relevantes no desempenho da RSSF, atingindo taxas de entrega de pacotes superiores ` a 97%. As simula¸c˜ oes dos métodos propostos mostraram que os protocolos DSCMAC e DSCMAC-AHP alcan¸caram taxas de entrega superiores ao T-MAC original, chegando ` a 63% e 59%, respectivamente. Palavras-chave: Redes de Sensores Sem Fio; Interferência; Coexistência; Redes Sem Fio, Sele¸c˜ ao de Canal..

(8) ABSTRACT Due to the development and popularization of mobile devices in recent years, the demand for wireless communications has increased more and more. A wide variety of applications is being developed for wireless networks, including wireless sensor networks (WSN). However, wireless sensor networks and many other current communication systems use the same spectrum of available frequencies, the ISM (Industrial, Medical and Scientifical). The frequency range of 2.4 GHz is widely used in a number of wireless technologies (wireless sensor networks, WiFi, Bluetooth, cordless phones, etc..) that must coexist. The electromagnetic interference, intentional or not, represents a serious threat to availability of services in wireless networks (and may even derail the functioning of these networks), being a major cause of loss of performance in wireless networks. This work intends to evaluate the behavior of wireless sensor networks in the presence of interference sources in real scenarios, a multi-radio node prototype as an alternative to mitigate interference problems and the development of two protocols for sensing and decision spectrum. These protocols were based on the T-MAC protocol (Time-out-MAC) and implemented in Castalia simulator, called DSCMAC (Dynamic Selection Channel MAC) and DSCMAC-AHP (Dynamic Selection Channel MAC - AHP) which allow the opportunistic use of the transmission medium. The results of practical experiments showed that the coexistence of WSNs with other devices operating in the frequency range of 2.4 GHz reduce the performance of these networks. The use of multi- radio node prototype, in the same scenarios and under the same conditions of interference as the traditional nodes, provided significant improvements in the performance of WSN, with delivery rate of packets higher than 97%. Simulations of the proposed methods showed that DSCMAC and DSCMAC-AHP protocols achieved delivery rates above the original T-MAC, reaching 63% and 59%, respectively. Keywords: Wireless Sensor Networks; Interference; Coexistence; Wireless Networks, Channel Selection..

(9) LISTA DE FIGURAS Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura 10 Figura 11 Figura 12 Figura 13 Figura 14 Figura 15 Figura 16 Figura 17 Figura 18 Figura 19 Figura 20. Sobreposi¸c˜ ao de frequências em redes IEEE 802.15.4 e IEEE 802.11........................................................ Estados de uma RSSF e de uma RSSFC(OLIVEIRA, 2011). ............................................................... Disposi¸c˜ ao geral dos dispositivos durante a realiza¸c˜ ao dos experimentos pr´ aticos de interferências de sinais. ....... Rede de sensores sem fio (n´ os sensores A e B) operando sem interferência eletrˆ onica. ..................................... Rede de sensores sem fio (n´ os sensores A e B) sofrendo interferência de outra (n´ os sensores C e D).................... Rede de sensores sem fio sofrendo interferência de uma rede WLAN IEEE 802.11. ....................................... Rede de sensores sem fio sofrendo interferência de uma rede Bluetooth...................................................... Rede de sensores sem fio sofrendo interferência de um forno de micro-ondas.............................................. Prot´ otipo de nó sensor multirr´ adio. ............................ Ciclo adaptativo do protocolo T-MAC. ........................ Mecanismo de ajuste dinˆ amico e em tempo real da periodicidade do processo de escolha do melhor canal. ...... Cen´ ario com os n´ os sensores para as simula¸c˜ oes com 4 fluxos simultˆ aneos. ................................................ Resultado de testes preliminares para determina¸c˜ ao do valor de α. ......................................................... N´ umero de pacotes perdidos (sem interferência eletrˆ onica). ......................................................... N´ umero de pacotes perdidos (RSSF sofrendo interferência de outra RSSF). ................................... N´ umero de pacotes perdidos (RSSF sofrendo interferência de uma WLAN). ................................... N´ umero de pacotes perdidos (RSSF sofrendo interferência de uma rede Bluetooth). .......................... N´ umero de pacotes perdidos (RSSF sofrendo interferência de um forno de micro-ondas)..................... Valores de RSSI em uma RSSF sob interferência (intervalo de confian¸ca omitido)................................. Taxa média de entrega de pacotes (%). ......................... 16 22 34 35 36 36 37 37 38 43 46 47 49 51 53 54 55 56 56 60.

(10) Figura Figura Figura Figura. 21 22 23 24. Latência (ms). ..................................................... N´ umero médio de trocas de canais (handoffs). ............... N´ umero médio de retransmiss˜ oes de pacotes perdidos. ...... Consumo de energia (mJ). ........................................ 61 62 63 64.

(11) LISTA DE TABELAS Tabela 1 Tabela 2 Tabela 3. Taxa de entrega de pacotes do prot´ otipo multirr´ adio. ....... 58 Consumo de energia para a rede com baixa densidade. ..... 65 Consumo de energia para a rede com alta densidade. ....... 65.

(12) LISTA DE SIGLAS. AHP AODV CRAW DSCMAC DSA DSAP EWMA FCC G-McMAC IEEE ISM MAC RC RSSI RSSF RSSFC RTT SBC SINR T-MAC TCP WiFi WLAN UFLA UFV ZoneS. Analytical Hierarchical Process Ad Hoc On-Demand Distance Vector Cognitive Resource Allocator for Wireless sensor networks coexistence Dynamic Selection Channel MAC Dynamic Spectrum Allocation Dynamic Spectrum Access Protocol Exponentially Weighted Moving-Average Federal Communications Commission Generic Multi-channel MAC protocol Institute of Electrical and Eletronics Engineers Industrial, Scientifical and Medical Medium Access Control R´ adio Cognitivo Received Signal Strength Indicator Rede de Sensores Sem Fio Rede de Sensores Sem Fio Cognitivas Round-Trip Time Sociedade Brasileira de Computa¸c˜ ao Signal Interference Noise Ratio Time-Out-MAC Transmission Control Protocol Wireless Fidelity Wireless Local Area Network Universidade Federal de Lavras Universidade Federal de Vi¸cosa Zone-based Sensing.

(13) ´ SUMARIO ˜ ........................................... INTRODUC ¸ AO Contextualiza¸ c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Defini¸ c˜ ao do Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motiva¸ c˜ ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Objetivo geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Objetivos espec´ıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contribui¸ c˜ oes do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Organiza¸ c˜ ao do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ REFERENCIAL TEORICO ............................. Redes de Sensores Sem Fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes de Sensores Sem Fio Cognitivas . . . . . . . . . . . . . . . . . Interferˆ encia de sinais e coexistˆ encia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trabalhos Relacionados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipo de pesquisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Procedimentos metodol´ ogicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Experimentos em cen´ arios reais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metodologia para a avalia¸ c˜ ao do comportamento de RSSF sob interferˆ encia de sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Cen´ ario 1: RSSF sem interferˆ encias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Cen´ ario 2: RSSF interferindo em outra RSSF. . . . . . . . . 3.3.4 Cen´ ario 3: WLAN IEEE 802.11 interferindo em uma RSSF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.5 Cen´ ario 4: Rede Bluetooth interferindo em uma RSSF 3.3.6 Cen´ ario 5: Forno de micro-ondas interferindo em RSSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Prot´ otipo de n´ o sensor multirr´ adio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Defini¸ c˜ ao das m´ etricas dos experimentos pr´ aticos . . . . 3.5 Experimentos em ambientes simulados . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Cen´ arios de simula¸ c˜ oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1.1 Modelo de mobilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Defini¸ c˜ ao das m´ etricas avaliadas nas simula¸ c˜ oes. . . . . . . ˜ 4 RESULTADOS E DISCUSSOES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Resultados dos experimentos pr´ aticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Cen´ ario 1: RSSF sem interferˆ encia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Cen´ ario 2: RSSF interferindo em outra RSSF. . . . . . . . . 4.1.3 Cen´ ario 3: WLAN interferindo em uma RSSF . . . . . . . .. 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.4.1 1.5 1.6 2 2.1 2.2 2.3 2.4 3 3.1 3.2 3.3 3.3.1. 13 13 15 17 18 18 19 20 21 21 21 22 25 32 32 32 33 33 34 35 35 36 37 38 40 40 46 48 49 51 51 51 52 53.

(14) 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 5. Cen´ ario 4: Bluetooth interferindo em uma RSSF . . . . . Cen´ ario 5: Forno de micro-ondas interferindo em uma RSSF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Avalia¸ c˜ ao do RSSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Avalia¸ c˜ ao geral do prot´ otipo de n´ o sensor multirr´ adio Resultados das simula¸ c˜ oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Taxa de entrega de pacotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Latˆ encia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trocas de canais (Handoffs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N´ umero de retransmiss˜ oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Consumo de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˜ CONCLUSOES E TRABALHOS FUTUROS . . . . . . . . . ˆ REFERENCIAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54 55 55 57 59 59 61 62 63 63 66 69.

(15) 13 1 1.1. ˜ INTRODUC ¸ AO Contextualiza¸ c˜ ao Nos u ´ltimos anos, com os constantes avan¸cos na tecnologia de redes. sem fio e a crescente populariza¸c˜ ao de dispositivos m´ oveis, uma variedade de aplica¸c˜ oes para esse tipo de rede tem sido desenvolvida. Essas aplica¸c˜ oes destinam-se desde ao sensoriamento remoto, ao desenvolvimento de ambientes inteligentes (por exemplo, ambientes industriais, automa¸c˜ ao de prédios e residências), ` a deteçc˜ ao de eventos e ` a coleta de informa¸cões, bem como ` a educa¸c˜ ao, ` a sa´ ude e ao entretenimento. Como essas redes est˜ ao se tornando cada vez mais comuns, a comunica¸c˜ ao sem fio est´ a recebendo aten¸cão cada vez maior no cen´ ario das comunica¸c˜ oes digitais (TOSCANO; BELLO, 2008; LASORTE; RAJAB; REFAI, 2012). Com o sucesso alcan¸cado e com o objetivo de atender ` as demandas crescentes de aplica¸c˜ oes que necessitam de dispositivos sem fio, o desenvolvimento das redes sem fio tem sido foco de muitos estudos (HOWITT; GUTIERREZ, 2003; REZHA; SHIN, 2014). Outra classe de redes surgiu h´ a alguns anos, chamada de rede de sensores sem fio (RSSF). Esse tipo espec´ıfico de redes consiste em n´ os individuais capazes de interagir com o ambiente no qual est˜ ao inseridos por meio de sensoriamento ou controlando parˆ ametros f´ısicos. Geralmente esses n´ os precisam colaborar entre si para conseguirem cumprir suas tarefas as quais, na maioria dos casos, um n´ o individualmente é incapaz de fazer. Em essência, os n´ os de uma rede de sensores sem fio possuem capacidade de processamento (ainda que reduzida) e realizam sensoriamento e comunica¸c˜ ao sem fios. Apesar do fato de essas redes também frequentemente inclu´ırem atuadores, o termo “redes de sensores sem fio” tornou-se comumente aceito..

(16) 14 Essas redes têm capacidade para suportar uma grande quantidade de diferentes aplica¸c˜ oes do mundo real, além de serem alvo de diversas pesquisas sendo um problema desafiador para a engenharia devido a sua grande flexibilidade (KARL; WILLIG, 2005). No entanto, as redes de sensores sem fio e v´ arios outros sistemas atuais de comunica¸c˜ ao utilizam o mesmo espectro de frequências livres, o ISM (Industrial, Scientifical and Medical ). Em meados da década de 1980, a Federal Communications Commission (FCC), ´ org˜ ao regulador da ´ area de telecomunica¸c˜ oes e radiodifus˜ ao dos Estados Unidos, padronizou o uso do espectro de r´ adio n˜ ao licenciado nas bandas ISM de 433 MHz a 434 MHz (faixa de 433 MHz), 902 MHz a 928 MHz (faixa de 900 MHz), 2400 MHz a 2483,5 MHz (faixa de 2,4 GHz) e 5725 MHz a 5850 MHz (faixa de 5,8 GHz). Os transmissores de r´ adio podem compartilhar o espectro ISM em uma base secund´ aria, desde que usem a modula¸c˜ ao por espectro espalhado e n´ıveis de potência abaixo de 1 W (RAPPAPORT, 2009). A faixa de frequência de 2,4 GHz é amplamente utilizada em uma série de aplica¸c˜ oes comuns (redes WiFi, redes de sensores, Bluetooth, telefones sem fio, etc.) que devem coexistir (ANGRISANI et al., 2008). A coexistência entre essas redes deve ser controlada de forma a permitir o compartilhamento de espectro entre diferentes dispositivos de rede. Em geral, o compartilhamento do espectro é controlado por protocolos MAC (Medium Access Control ). Entretanto, as diferen¸cas entre os n´ıveis de potência, a ausência de sincroniza¸c˜ ao e a incompatibilidade das camadas f´ısicas prejudicam a efic´ acia do protocolo MAC tradicional e tornam a coexistência entre redes heterogêneas um grande desafio (ZHANG et al., 2012). Uma quest˜ ao fundamental para redes sem fio é a sua suscetibilidade a interferên-.

(17) 15 cias de sinais e o fato de sua implanta¸c˜ ao geralmente ocorrer em ´ areas com o espectro polu´ıdo. O problema da interferência entre diferentes tipos de redes sem fio tem se tornado objeto de pesquisa pela comunidade cient´ıfica. O IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineers) publicou, em 2003, um documento com recomenda¸c˜ oes pr´ aticas sobre o problema da interferência entre redes sem fio. Além disso, o IEEE possui desde 2004 um grupo técnico consultivo, chamado de IEEE 802.19 (Wireless Coexistence Technical Advisory Group - TAG), para tratar as quest˜ oes de coexistência entre redes sem fio n˜ ao licenciadas, desenvolvendo pol´ıticas e procedimentos para assegurar a coexistência entre essas redes (SHELLHAMMER, 2004). Paralelamente aos esfor¸cos do IEEE, diferentes formas de viabilizar a coexistência pac´ıfica entre redes sem fio (em especial, RSSFs) têm sido abordadas na literatura atual (LEWANDOWSKI et al., 2010; FILIN et al., 2011; CORREIA et al., 2012; HAYASHI, 2012; ZHANG; SURESH; STOLERU, 2013), uma vez que a interferência é um dos fatores limitadores no desempenho de sistemas que utilizam r´ adios. 1.2. Defini¸ c˜ ao do Problema As interferências de r´ adio, intencionais ou n˜ ao, representam uma. grave amea¸ca ` a disponibilidade de servi¸cos em redes de sensores sem fio, podendo até mesmo inviabilizar o funcionamento dessas redes. Se v´ arias redes sem fio operam na mesma ´ area, a confiabilidade do sistema diminui de maneira dr´ astica, especialmente se as redes utilizam r´ adios com aloca¸c˜ ao est´ atica de canais (FERRARI et al., 2008a). Os efeitos t´ıpicos de inter-.

(18) 16 ferência s˜ ao perda de pacotes de dados, atrasos na transmiss˜ ao, perda de comunica¸c˜ ao e degrada¸c˜ ao na vaz˜ ao dos dados (TOSCANO; BELLO, 2008). O principal objetivo deste trabalho é introduzir capacidades cognitivas em redes de sensores sem fio buscando reduzir ou anular os efeitos negativos da coexistência com outras redes da mesma natureza. Para tal, ser´ a necess´ ario o desenvolvimento de técnicas que possibilitem a coexistência pac´ıfica entre elas. Essas técnicas s˜ ao baseadas no uso oportunista do espectro de frequência e na reconfigura¸c˜ ao dinˆ amica dos r´ adios dos dispositivos da rede. O desenvolvimento de técnicas para a sele¸c˜ ao do melhor canal dispon´ıvel é de grande importˆ ancia para alcan¸car a coexistência entre redes. Um cen´ ario no qual h´ a n´ os pertencentes a redes de diferentes padr˜ oes (ZigBee e WiFi) é apresentado na Figura 1 (CORREIA et al., 2012). Nessa situa¸c˜ ao, as redes s˜ ao divididas em canais cujos intervalos de frequência (de 5 MHz para IEEE 802.15.4 e de 22 MHz para IEEE 802.11) se sobrep˜ oem na maior parte do espectro analisado. Por exemplo, a frequência mais baixa do canal 2 do padr˜ ao IEEE 802.11 é também a frequência mais baixa do canal 12 do padr˜ ao IEEE 802.15.4.. Figura 1 Sobreposi¸c˜ ao de frequências em redes IEEE 802.15.4 e IEEE 802.11..

(19) 17 1.3. Motiva¸ c˜ ao A Sociedade Brasileira de Computa¸c˜ ao (SBC) organizou em 2006. um evento com o objetivo de gerar um conjunto de Cinco Grandes Desafios para a Computa¸c˜ ao no Brasil em um per´ıodo de 10 anos. Dentre os desafios propostos, um se ajusta melhor a este trabalho: Desenvolvimento tecnol´ ogico de qualidade – sistemas dispon´ıveis, corretos, seguros, escal´ aveis, persistentes e ub´ıquos. Em se tratando especificamente de redes sem fio, h´ a in´ umeras aplica¸c˜ oes atuais que dependem diretamente desse tipo de rede. Dessa forma, as redes sem fio precisam estar sempre dispon´ıveis e n˜ ao apresentarem falhas; devem funcionar de forma prevista e serem escal´ aveis e seguras. Como as redes de sensores sem fio transmitem dados, uma questão importante é a qualidade da informa¸c˜ ao obtida ao longo do tempo. A prolifera¸c˜ ao de tipos e usos desses dispositivos exige cada vez mais aten¸c˜ ao ao desenvolvimento de sistemas confi´ aveis (CARVALHO et al., 2006). Para que isso seja poss´ıvel, é imprescind´ıvel a aplica¸c˜ ao de técnicas para permitir a coexistência evitando a interferência. O grupo técnico IEEE 802.19 tem trabalhado desde 2010 na cria¸c˜ ao e aprimoramento do padrão IEEE 802.19.1 (KASSLIN, 2010). O objetivo desse padr˜ ao é permitir que os dispositivos que utilizam a fam´ılia de padr˜ oes IEEE 802 para redes sem fio possam usufruir do espectro de frequências de maneira mais eficaz. A inten¸c˜ ao do grupo IEEE 802.19 é que o padr˜ ao IEEE 802.19.1 seja u ´til também para redes e dispositivos sem fio que n˜ ao utilizem a fam´ılia de padr˜ oes IEEE 802 (SHELLHAMMER, 2004). Atualmente, RSSFs est˜ ao sendo utilizadas cada vez mais e por uma grande variedade de aplica¸cões, bem como outros tipos de redes sem fio. Essa elevada densidade de sinais aponta para a satura¸c˜ ao do espectro ISM,.

(20) 18 causando interferências m´ utuas entre as redes sem fio. Uma das principais causas de redu¸c˜ ao no desempenho de RSSFs é a interferência. A degrada¸cão devido ` a interferência pode resultar em perda de pacotes, retransmissões, instabilidade do enlace e comportamento inconsistente dos protocolos (AHMED; KANHERE; JHA, 2010). Um grande problema enfrentado nas implanta¸c˜ oes de redes de sensores sem fio é a coexistência com outras redes sem fio em ambientes sem coordena¸c˜ ao. A falta de um canal livre de interferência (ou interferência m´ınima) para a comunica¸c˜ ao reduz a capacidade de transferência de dados e faz com que ocorram colis˜ oes. Logo, evitar a interferência (que tende a ser cada vez maior) entre redes sem fio vem se tornando uma quest˜ ao de extrema importˆ ancia (ANSARI; M¨ aH¨ oNEN, 2010). 1.4. Objetivo geral O objetivo geral deste trabalho é o desenvolvimento de técnicas que. possibilitem a coexistência pac´ıfica entre RSSFs por meio de uso oportunista do espectro de frequências, com a utiliza¸c˜ ao de n´ os sensores com m´ ultiplos rádios. Para que o objetivo fosse alcan¸cado foi necess´ ario, antes de tudo, analisar o comportamento de redes de sensores sem fio em cen´ arios reais de interferência e ambientes de simula¸c˜ ao. Além da implementa¸c˜ ao da solu¸c˜ ao em simulador, um prot´ otipo de n´ o sensor multirr´ adio foi avaliado como alternativa para tentar mitigar os problemas de coexistência em RSSFs. 1.4.1. Objetivos espec´ıficos Os objetivos espec´ıficos deste trabalho s˜ ao:.

(21) 19 • Avaliar o comportamento de RSSFs em cen´ arios reais de interferência e de ru´ıdo, bem como os efeitos da coexistência dessas redes com outros dispositivos que utilizam o mesmo espectro de frequências. – Realizar experimentos em plataforma real de diferentes situa¸c˜ oes de interferência envolvendo redes de sensores sem fio e outros dispositivos que utilizam a faixa de frequência de 2,4 GHz (outras RSSFs, WLANs, redes Bluetooth e fornos de micro-ondas). • Desenvolver e avaliar um prot´ otipo de n´ o sensor multirr´ adio que permita o uso oportunista do espectro de frequências. • Propor e desenvolver novos protocolos MAC que reduzam os efeitos negativos da coexistência de RSSFs com outros dispositivos sem fio por meio da utiliza¸c˜ ao de técnicas de sensoriamento do espectro e decis˜ ao do melhor canal de opera¸c˜ ao dispon´ıvel. Por quest˜ oes de custo e escalabilidade, esses novos protocolos MAC foram desenvolvidos e avaliados em ambientes de simula¸c˜ ao. 1.5. Contribui¸ c˜ oes do trabalho A primeira contribui¸c˜ ao deste trabalho é a avalia¸c˜ ao do compor-. tamento de RSSFs na presen¸ca de diferentes fontes de interferências em cen´ arios reais. Devido ` a necessidade de ambientes reais de experimenta¸c˜ ao, esse avalia¸c˜ ao é escassa e este trabalho ajuda a preencher essa lacuna na literatura. Outra importante contribui¸c˜ ao foi o desenvolvimento e avalia¸c˜ ao de um prot´ otipo de n´ o sensor multirr´ adio com capacidade de sensoriamento de espectro e escolha do melhor canal dispon´ıvel. A avalia¸c˜ ao do prot´ otipo mostrou resultados promissores, alcan¸cando taxas de entregas superiores.

(22) 20 aos modelos tradicionais de n´ os sensores. Por fim, este trabalhou apresentou, por meio de simula¸c˜ oes, dois novos protocolos MAC que permitem aos n´ os sensores a utiliza¸cão oportunista do espectro de frequências com a capacidade de avaliar o meio e decidir qual é o melhor canal de opera¸c˜ ao. 1.6. Organiza¸ c˜ ao do trabalho No Cap´ıtulo 2, s˜ ao apresentados os principais conceitos e aplica¸c˜ oes. de redes de sensores sem fio. Além disso, esse cap´ıtulo mostra as principais causas de interferência nesse tipo de rede, bem como algumas das solu¸c˜ oes que têm sido propostas na literatura atual. A metodologia utilizada neste trabalho é apresentada no Cap´ıtulo 3, juntamente com as informa¸c˜ oes sobre o processo dos experimentos e das simula¸c˜ oes realizados. Os resultados e discuss˜ oes s˜ ao mostrados no Cap´ıtulo 4. J´ a no Cap´ıtulo 5, s˜ ao apresentadas as considera¸c˜ oes finais deste trabalho..

(23) 21 2. ´ REFERENCIAL TEORICO Neste cap´ıtulo ser˜ ao apresentados conceitos de redes de sensores sem. fio, redes de sensores sem fio cognitivas, interferências de sinais e os principais problemas da coexistência dessas redes com outros dispositivos que compartilham o mesmo meio de transmiss˜ ao. Além disso, ser˜ ao apresentados trabalhos relacionados ao assunto abordado. 2.1. Redes de Sensores Sem Fio Uma rede de sensores sem fio (RSSF) pode ser definida tipicamente. como sendo uma rede composta, em geral, por um grande n´ umero de n´ os sensores espalhados em uma área a ser monitorada. Essas redes s˜ ao compostas de n´ os com recursos computacionais e energéticos limitados. Com redes de sensores sem fio (RSSFs), dados e informa¸c˜ oes podem ser sensoriados, coletados e enviados a um cliente, ou comandos podem ser enviados aos n´ os para controlar os objetos e ambientes monitorados. As redes de sensores sem fio permitem uma liga¸c˜ ao entre o mundo f´ısico e o mundo virtual, bem como com os seres humanos. Esse tipo de rede tem atra´ıdo grande aten¸cão devido a sua aplicabilidade em campos como aeron´ autica militar, ind´ ustria, transporte, agricultura, cidades inteligentes, log´ıstica, engenharia biomédica, monitoramento de ambientes, resposta a desastres e antiterrorismo (LI; BAO; SHEN, 2011). 2.2. Redes de Sensores Sem Fio Cognitivas As redes de sensores sem fio cognitivas (RSSFCs) podem ser defi-. nidas como uma rede de sensores sem fio baseadas em r´ adios cognitivos..

(24) 22 Os r´ adios cognitivos proveem a capacidade de compartilhar o espectro de forma oportunista. Um r´ adio cognitivo (RC) é definido formalmente como um r´ adio apto a alterar os parˆ ametros de seu transmissor de acordo com a intera¸c˜ ao com o meio ambiente (AKAN; KARLI; ERGUL, 2009). A Fi´ poss´ıvel gura 2 mostra os diferentes estados das RSSFs e das RSSFCs. E observar que além dos três estados inerentes a uma RSSF, existe o estado de sensoriamento do espectro, no qual as oportunidades de transmiss˜ ao s˜ ao identificadas (OLIVEIRA, 2011).. Figura 2 Estados de uma RSSF e de uma RSSFC(OLIVEIRA, 2011).. 2.3. Interferˆ encia de sinais e coexistˆ encia Devido aos avan¸cos recentes na tecnologia sem fio, uma ampla gama. de padr˜ oes est´ a sendo desenvolvida para um conjunto diversificado de usu´ arios (POLLIN et al., 2008). E a maioria das tecnologias sem fio em uso atualmente foi desenvolvida sem qualquer tipo de coopera¸c˜ ao. Geralmente, isso significa que os padr˜ oes sem fio n˜ ao s˜ ao incompat´ıveis, mas compartilham.

(25) 23 o mesmo meio e competem entre si por esse espectro. A maioria dos fabricantes considera os outros sistemas de comunica¸c˜ ao como fonte de ru´ıdo. Dessa forma, é dif´ıcil assegurar a coexistência contando com a colabora¸c˜ ao entre sistemas de diferentes fabricantes. Neste contexto, a coexistência destas redes pode ser um problema devido ` a interferência em v´ arios canais. A coexistência representa a capacidade de sistemas sem fio de modificar seu comportamento com o objetivo de eliminar qualquer interferência m´ utua. Por exemplo, RSSFs na mesma ´ area podem mudar suas caracter´ısticas de acesso ao meio para evitar colis˜ oes. Claramente, a mudan¸ca de comportamento é poss´ıvel, pois os sistemas envolvidos têm condi¸c˜ oes de detectar a presen¸ca de outros dispositivos sem fio pr´ oximos (FERRARI et al., 2008b). V´ arias aplica¸c˜ oes comerciais em RSSFs est˜ ao sendo desenvolvidas para automa¸c˜ ao e vigilˆ ancia de ambientes residenciais e empresariais. Esses locais podem j´ a estar sob a cobertura de WLANs (Wireless Local Area Networks) ou possu´ırem dispositivos elétricos, tais como fornos de micro-ondas, operando na vizinhan¸ca. A radia¸c˜ ao a partir desses dispositivos causa interferências e perdas de pacotes em RSSFs, chegando a 92% (CHOWDHURY; AKYILDIZ, 2009a). A interferência é um dos fatores limitadores no desempenho de sistemas que utilizam r´ adios. A reutiliza¸c˜ ao de frequência implica que, em determinada ´ area de cobertura, existem v´ arios usu´ arios que utilizam o mesmo conjunto de frequências. A interferência entre os sinais desses usu´ arios é chamada de interferência do co-canal. A interferência resultante de sinais adjacentes em frequência ao sinal desejado é chamada de interferência do canal adjacente. A interferência do canal adjacente resulta de.

(26) 24 filtros receptores imperfeitos, os quais permitem que frequências vizinhas vazem para a banda de passagem (RAPPAPORT, 2009). O controle da interferência é uma quest˜ ao importante em qualquer sistema multiusu´ ario. A interferência diminui a taxa de usuários compartilhando o mesmo espectro. Um dos mais promissores sistemas multiusu´ arios é o r´ adio cognitivo (RC). Os usu´ arios de r´ adio cognitivo podem ser classificados em dois tipos: o usu´ ario prim´ ario (Primary User - PU) que possui licen¸ca para acessar o espectro, e o usu´ ario secund´ ario (Secondary User SU) que possui permiss˜ ao para utilizar o espectro sob a condi¸c˜ ao de n˜ ao causar interferência no receptor do usu´ ario prim´ ario (ABDELHAMID; ELSABROUTY; ELRAMLY, 2012). O paradigma de r´ adios cognitivos é a utiliza¸c˜ ao oportunista de canais licenciados por usu´ arios secund´ arios sem causar qualquer interferência nos usu´ arios propriet´ arios de licen¸cas (CANBERK; OKTUG, 2012). O sensoriamento de espectro é uma tecnologia essencial para redes de r´ adios cognitivos. O principal objetivo do sensoriamento de espectro é fornecer mais oportunidades de acesso ao espectro aos usu´ arios de RCs sem interferir nas opera¸c˜ oes de usu´ arios licenciados. Dessa forma, as redes de r´ adios cognitivos s˜ ao respons´ aveis por detectar a transmiss˜ ao de redes de usu´ arios prim´ arios e evitar interferência a eles. Assim, a precis˜ ao no sensoriamento é considerada como um dos fatores mais importantes para determinar o desempenho de redes de RCs. O sensoriamento de espectro permite que usu´ arios n˜ ao licenciados se adaptem ao ambiente para detectar faixas do espectro n˜ ao utilizadas sem causar interferência em usu´ arios prim´ arios da rede (LEE; AKYILDIZ, 2008)..

(27) 25 As solu¸c˜ oes para o problema da coexistência podem ser classificadas de duas maneiras distintas: colaborativas e n˜ ao colaborativas. A tecnologia de colabora¸c˜ ao em uma rede de sensores sem fio permite que os n´ os da rede se comuniquem e cooperem na execu¸c˜ ao de uma tarefa espec´ıfica sendo baseada na troca de informa¸c˜ oes entre as redes existentes para negociar e minimizar a interferência m´ utua (CORREIA et al., 2012). Como os n´ os sensores geralmente possuem limita¸c˜ ao de recursos energéticos, computacionais e de sensoriamento, a colabora¸c˜ ao é muito importante para determinadas aplica¸c˜ oes de RSSFs. De acordo com (LI; BAO; SHEN, 2011), existem três tipos b´ asicos de colabora¸cão em redes de sensores sem fio: coopera¸c˜ ao, na qual todos os n´ os trabalham cooperativamente de acordo com seu pr´ oprio grau de contribui¸c˜ ao no objetivo da rede, por exemplo sensoriamento cooperativo; competi¸c˜ ao, o que significa que um mesmo recurso é compartilhado pelos dispositivos que comp˜ oem a rede e auto-organiza¸c˜ ao, cujo estado de coopera¸c˜ ao é controlado e aprimorado no instante do sensoriamento. Por outro lado, quando n˜ ao é poss´ıvel a troca de informa¸c˜ oes entre as redes, os mecanismos s˜ ao n˜ ao colaborativos. Dessa forma, alguns mecanismos para possibilitar a coexistência têm sido utilizados, como a sincroniza¸c˜ ao de redes, acesso dinˆ amico ao canal (Dynamic Spectrum Allocation - DSA) e r´ adios cognitivos. 2.4. Trabalhos Relacionados Em (OLIVEIRA, 2011) foi proposta uma adapta¸c˜ ao cognitiva do. protocolo T-MAC e a utiliza¸c˜ ao de mecanismos distribu´ıdos de aloca¸c˜ ao dinˆ amica de canais e decis˜ ao de espectro. As adapta¸c˜ oes propostas pelo autor deram origem a dois mecanismos distribu´ıdos de sele¸c˜ ao dinˆ amica de.

(28) 26 canais, chamados de CogTMAC e AhpTMAC. O primeiro método realiza a escolha do melhor canal em fun¸c˜ ao da for¸ca do sinal recebido ou RSSI (Received Signal Strength Indicator ). J´ a o segundo, além do RSSI, considera parˆ ametros como SINR (Signal Interference Noise Ratio), ru´ıdo base e atraso fim a fim, escolhendo o melhor canal dispon´ıvel com a técnica de AHP (Analytical Hierarchical Process). Ambos os métodos foram adicionados ao protocolo T-MAC do simulador Castalia (BOULIS, 2010). As simula¸c˜ oes mostram que as adapta¸c˜ oes cognitivas do protocolo T-MAC apresentaram um desempenho de até 69% mais pacotes entregues do que a vers˜ ao original do protocolo. Mecanismos de coexistência colaborativos podem explorar a capacidade de sincroniza¸c˜ ao das redes de sensores sem fio. Nesse caso, o gerenciamento de canais é feito por meio de troca de mensagens de enlace entre uma entidade de arbitragem e coordenadores das RSSF. Considera-se que os coordenadores possuem interfaces sem fio e cabeadas para se comunicarem com o ´ arbitro através de uma rede Ethernet. Os resultados apontam para um aumento no tempo de vida dos n´ os da rede e a possibilidade de coexistência de redes (FERRARI et al., 2008c). Em (BRIK et al., 2005) é apresentado um protocolo de acesso dinˆ amico ao espectro (Dynamic Spectrum Access Protocol - DSAP) baseado em coexistência colaborativa com coordena¸c˜ ao centralizada. Esse protocolo é destinado a regi˜ oes geográficas limitadas, visando a reduzir o congestionamento e minimizar a interferência ajustando os canais usados pelos n´ os clientes de acordo com informa¸c˜ oes do coordenador da rede. O gerenciamento e a coordena¸c˜ ao dos n´ os s˜ ao baseados em informa¸c˜ oes prévias dos canais utilizados na regi˜ ao. Os n´ os coordenadores utilizam duas interfaces de modo a possuir um canal comum.

(29) 27 para a comunica¸c˜ ao com os n´ os clientes. Os resultados apresentados mostram que o DSAP reduz a interferência e melhora a vaz˜ ao da rede. Apesar disso, a escolha errada do canal comum ou a dinamicidade do ambiente pode inviabilizar a comunica¸c˜ ao entre os n´ os. Segundo (AKAN; KARLI; ERGUL, 2009), com os avan¸cos da tecnologia dos r´ adios cognitivos é poss´ıvel aplicar modelos de acesso dinˆ amico ao canal ` as redes de sensores sem fio. Isso permite o uso eficiente do espectro de frequências e a coexistência de RSSFs. Para isso, os RC exploram o espectro de frequências de modo oportunista, ajustando os parˆ ametros de transmiss˜ ao (frequência, potência de transmiss˜ ao e codifica¸c˜ ao). Outras abordagens para r´ adios cognitivos afirmam que esse tipo de r´ adio deve ser capaz, além da reconfigurabilidade programada, aprender e adaptar-se as condi¸c˜ ` oes do ambiente, de modo a reconfigurar de forma inteligente os parˆ ametros de transmiss˜ ao. Diferentes formas de viabilizar a coexistência pac´ıfica entre redes sem fio (em especial, RSSFs) têm sido abordadas na literatura. Em (FERRARI et al., 2008b), é proposto um controlador central para alocar os recursos de rede de acordo com os pedidos dos coordenadores de diferentes RSSFs. O objetivo é permitir a coexistência de redes diferentes com o m´ınimo de troca de informa¸c˜ oes. Nesse caso, o controlador central deve conhecer todas as necessidades de todas as RSSFs e, assim, criar um mapa para auxiliar na aloca¸c˜ ao dos recursos. Esse controlador proposto trabalha no n´ıvel MAC e, por isso, é chamado de “MetaMAC”. Ao organizar todos os n´ os localizados na mesma ´ area de interesse, o MetaMAC se comunica apenas com os coordenadores das redes de sensores sem fio, que continuam a gerenciar as suas pr´ oprias sub-redes..

(30) 28 Em (NETHI; NIEMINEN; JANTTI, 2011), é proposta uma abordagem para controle de acesso ao meio multicanal, projetada especificamente para RSSFs industriais, chamada de Generic Multi-channel MAC protocol (G-McMAC). O G-McMAC possui bom desempenho em termos de atraso e taxa de transferência, bem como apresenta robustez em rela¸c˜ ao ` a interferência e permite a coexistência. Além disso, o G-McMAC é flex´ıvel, escal´ avel e facilmente implement´ avel para v´ arias aplica¸c˜ oes. Segundo os autores, os resultados te´ oricos indicam que o G-McMAC supera outras solu¸c˜ oes existentes. Os resultados de simula¸c˜ ao de um ambiente industrial real mostram que o G-McMAC é utiliz´ avel em aplica¸c˜ oes industriais de redes de sensores sem fio. O problema da coexistência de redes de sensores sem fio para aplica¸cões industriais foi abordado em (FERRARI et al., 2008a). Na verdade, se várias RSSFs operam na mesma ´ area, a confiabilidade do sistema diminui de maneira r´ apida, especialmente se as RSSFs utilizam r´ adios com canais est´ aticos. A coexistência entre RSSFs em ambientes industriais é causa de preocupa¸c˜ ao crescente devido ao uso generalizado de tecnologias em banda de 2.4 GHz. A arquitetura proposta é baseada em uma abordagem colaborativa que explora a capacidade de sincroniza¸c˜ ao de algumas RSSFs para melhorar a coexistência utilizando técnicas de colabora¸c˜ ao. O CRAW (Cognitive Resource Allocator for Wireless sensor networks coexistence) é uma proposta para fornecer, de maneira dinˆ amica, recursos para RSSFs (FERRARI et al., 2008b). O CRAW deve aumentar o desempenho através da distribui¸c˜ ao cognitiva de segmentos de tempo e frequência para os coordenadores, a fim de evitar ou minimizar o congestionamento. Um servidor CRAW armazena informa¸c˜ oes atualizadas sobre.

(31) 29 todas as redes na ´ area controlada e pode agir alocando os recursos dispon´ıveis. Em (CHOWDHURY; AKYILDIZ, 2009a), é proposto um algoritmo que permite classificar uma fonte desconhecida de interferência baseado em medi¸c˜ oes de energia do canal. Além disso, os autores prop˜ oem um esquema de escolha de canal de transmiss˜ ao e agendamento de pacotes para RSSFs para detectar as caracter´ısticas dos dispositivos interferentes e reduzir as perdas relacionadas ` a interferência. Uma an´ alise experimental de problemas de coexistência entre os padr˜ oes de WLAN (Wireless Local Area Network ) e de RSSF dentro de um ambiente real é feita em (ANGRISANI et al., 2008). Como RSSFs e WLANs podem ocupar as mesmas frequências, o risco de interferência de canal é muito elevado sempre que uma RSSF opera pr´ oxima a uma WLAN ativa. Esse cen´ ario foi testado e os resultados mostraram que uma WLAN pode degradar consideravelmente o desempenho de uma RSSF operando em sua proximidade. J´ a em (HOWITT; GUTIERREZ, 2003), foi analisado o impacto da coexistência de uma rede IEEE 802.15.4 e uma rede IEEE 802.11b. A an´ alise do trabalho sugere que, assumindo a gest˜ ao de frequências automatizada ou manual, é razo´ avel concluir que a rede IEEE 802.15.4 normalmente tem pouco ou nenhum impacto sobre o desempenho do padr˜ ao IEEE 802.11b, mesmo que a esta¸c˜ ao IEEE 802.11b esteja localizada pr´ oxima a um cluster IEEE 802.15.4 com um elevado n´ıvel de atividade. O trabalho (POLLIN et al., 2008) também concentrou-se na coexistência de IEEE 802.11 e IEEE 802.15.4 na banda ISM. Segundo os autores do trabalho, a maioria dos estudos assume que uma rede IEEE 802.15.4 pode prejudicar uma rede IEEE 802.11 apenas quando a primeira n˜ ao utilizar a técnica.

(32) 30 listen-before-send. No entanto, os resultados apresentados contradizem esta suposi¸c˜ ao. O estudo aponta uma degrada¸c˜ ao consider´ avel no desempenho da rede IEEE 802.11 quando coexiste com redes IEEE 802.15.4. Um estudo recente apresenta uma nova abordagem para melhorar o desempenho do sensoriamento de espectro concentrando-se na deteçc˜ ao de energia (KOZAL; MERABTI; BOUHAFS, 2012). Os autores prop˜ oem um algoritmo de deteçc˜ ao de energia de limiar ´ otimo e apresentam modelos matem´ aticos e simula¸c˜ oes realizadas. No modelo proposto, os autores consideram que existe um terminal cognitivo que precisa detectar o sinal de um usu´ ario prim´ ario usando um detector de energia. Nesse esquema, somente a potência transmitida de um sistema prim´ ario é conhecida, portanto, primeiro essa potência será detectada, e ent˜ ao comparada com o limiar prédefinido para determinar se a faixa de frequência est´ a dispon´ıvel ou n˜ ao. Outra proposta recente é o método Zone-based Sensing (ZoneS) (ACAR et al., 2012). Esse método é baseado na deteçc˜ ao cooperativa distribu´ıda que contorna os problemas surgidos entre n´ os distantes. O método concentra-se principalmente na deteçc˜ ao de energia e deteçc˜ ao cooperativa distribu´ıda para aumentar o desempenho do método de deteçc˜ ao de energia sob condi¸c˜ oes de baixo SNR. No método proposto, a célula secund´ aria é dividida em v´ arias zonas de ´ areas aproximadamente iguais e cada zona decide se a frequência est´ a ociosa ou n˜ ao dentro de sua ´ area, por meio da fus˜ ao de resultados de deteçc˜ ao de usu´ arios secund´ arios na zona. Segundo os autores, os resultados do método ZoneS comparados ao caso de célula inteira (sem divis˜ ao por zonas) é melhor em termos de confiabilidade de deteçc˜ ao, uma vez que com m´ ultiplas zonas cooperando na célula, a perda de deteçc˜ ao e as probabilidades de colis˜ ao diminuem significativamente..

(33) 31 Em (CANBERK; OKTUG, 2012), é proposta uma classifica¸c˜ ao baseada na utiliza¸c˜ ao do espectro para verificar a disponibilidade de canais de usu´ arios prim´ arios. O esquema proposto leva em considera¸c˜ ao o comportamento dos usu´ arios prim´ arios e tenta estimar a disponibilidade dos canais classificando-os de acordo com a QoS dos canais de usu´ arios prim´ arios. Conforme resultados apresentados, o espectro dispon´ıvel é utilizado mais efetivamente com esta proposta do que o esquema tradicional. J´ a (SALARVAN; KURT, 2012), avalia métodos de deteçc˜ ao e combina¸c˜ ao de sinal para deteçc˜ ao de espectro com m´ ultiplas antenas em redes de r´ adios cognitivos. Segundo os autores, o ganho obtido nos métodos de sensoriamento de espectro através da utiliza¸c˜ ao de m´ ultiplas antenas no receptor é melhor observado quando um modelo de atenua¸c˜ ao gradual, tal como Rayleigh, é utilizado no modelo do canal. Devido ao expressivo crescimento das comunica¸c˜ oes sem fio na u ´ltima década e a dependência cada vez maior de aplica¸c˜ oes m´ oveis de voz e de multim´ıdia no dia-a-dia, a necessidade de mais recursos de espectro tem aumentado. Ao permitir o uso oportunista do espectro por usu´ arios secund´ arios, poderosos e flex´ıveis sistemas sem fio, capazes de dar suporte ao crescimento e ` as mudan¸cas de demanda no tr´ afego, podem ser obtidos (KOZAL; MERABTI; BOUHAFS, 2012). No pr´ oximo cap´ıtulo ser˜ ao apresentados detalhes da metodologia adotada para a realiza¸c˜ ao deste trabalho, assim como informa¸c˜ oes sobre os procedimentos de experimenta¸c˜ ao e simula¸c˜ ao, bem como as métricas analisadas..

(34) 32 3. METODOLOGIA Este cap´ıtulo descreve o tipo de pesquisa, a metodologia de traba-. lho para que os objetivos fossem alcan¸cados, assim como os cen´ arios de experimenta¸c˜ ao e de simula¸c˜ ao, além das métricas analisadas. 3.1. Tipo de pesquisa A pesquisa desenvolvida neste trabalho pode ser classificada quanto. a sua natureza como sendo aplicada, com objetivos de car´ ` ater explorat´ orio e com utiliza¸c˜ ao de procedimentos experimentais (JUNG, 2004). 3.2. Procedimentos metodol´ ogicos Este trabalho possui, basicamente, quatro grandes etapas. A pri-. meira delas é a aquisi¸c˜ ao dos requisitos essenciais para o desenvolvimento e evolu¸c˜ ao do trabalho. Nessa etapa ocorreu a defini¸c˜ ao do assunto abordado, a pesquisa bibliogr´ afica e análise da documenta¸c˜ ao dispon´ıvel encontrada, permitindo a obten¸c˜ ao de conhecimento sobre redes de sensores sem fio e suas caracter´ısticas. A segunda etapa é a realiza¸c˜ ao de testes em ambientes reais para avaliar o comportamento de redes de sensores sem fio sob interferência de outras redes e dispositivos sem fio, obedecendo a métricas que ser˜ ao descritas posteriormente. Em seguida, um prot´ otipo de n´ o sensor com m´ ultiplos r´ adios foi avaliado para ser utilizado como alternativa para mitigar os problemas causados pela coexistência de redes de sensores sem fio. Au ´ltima etapa consiste no desenvolvimento de algoritmos e técnicas para ambiente de simula¸c˜ ao com o intuito de tratar o problema de interferência.

(35) 33 em redes de sensores sem fio, permitindo a sua coexistência pac´ıfica com os demais utilizadores do espectro de frequência de 2,4 GHz. 3.3. Experimentos em cen´ arios reais Os experimentos pr´ aticos realizados neste trabalho têm o objetivo. de avaliar o comportamento de redes de sensores sem fio em ambientes reais e na presen¸ca de fontes de interferência. Além disso, os resultados desses experimentos podem contribuir para reduzir a escassez de trabalhos que realizam esse tipo de abordagem. 3.3.1. Metodologia para a avalia¸ c˜ ao do comportamento de RSSF sob interferˆ encia de sinais Para analisar e avaliar o comportamento de redes de sensores sem. fio na presen¸ca de fontes de interferência externas, foram preparados cinco cen´ arios de experimenta¸c˜ ao reais. Esses cen´ arios contam com (i) uma RSSF operando sem a presen¸ca de interferências eletrˆ onicas, (ii) uma RSSF em opera¸c˜ ao sofrendo interferências de outra rede de sensores sem fio, (iii) de uma rede WLAN IEEE 802.11b, (iv) de rede Bluetooth IEEE 802.15 e (v) de um forno de micro-ondas. Todos os equipamentos utilizados, assim como a RSSF alvo da interferência, operam no espectro de frequência de 2,4 GHz. Nos experimentos foram utilizados n´ os sensores IEEE 802.15.4 equipados com r´ adios TI-Chipcon CC2420 para percorrer os canais dispon´ıveis em intervalos de 5 MHz. O RSSI foi medido nos r´ adios dos n´ os sensores receptores, coletados os pacotes e calculada a taxa de entrega. Nesse experimento, os n´ os sensores enviaram 2000 pacotes a cada bateria de testes. Esse processo foi repetido para todos os canais dispon´ıveis (do 11 ao 26).

(36) 34 para RSSFs. No total, foram realizadas 5 rodadas de testes para cada um dos 16 canais dos n´ os sensores. Inicialmente, foram realizados testes em uma rede de sensores sem fio operando livre de interferências externas; apenas os n´ os da rede estavam em funcionamento. Para a realiza¸c˜ ao dos experimentos, os n´ os sensores ficaram separados entre si por uma distˆ ancia de 1 m, e os dispositivos interferentes foram dispostos perpendicularmente em rela¸c˜ ao aos n´ os sensores com a distˆ ancia de 1 m, conforme mostra a Figura 3.. Figura 3 Disposi¸c˜ ao geral dos dispositivos durante a realiza¸c˜ ao dos experimentos pr´ aticos de interferências de sinais.. 3.3.2. Cen´ ario 1: RSSF sem interferˆ encias O objetivo deste cen´ ario é avaliar uma comunica¸c˜ ao livre de interfe-. rências eletrˆ onicas, como mostrado na Figura 4. A RSSF desse experimento operou em todos os canais dispon´ıveis (do 11 ao 26) para que todos fossem avaliados sem a presen¸ca de outros dispositivos sem fio. O ambiente escolhido para a realiza¸c˜ ao deste experimento foi uma sala-cofre que oferece prote¸c˜ ao eletromagnética. A proposta desse experimento foi avaliar poss´ıveis.

(37) 35 interferências do ambiente e também servir como padr˜ ao para compara¸c˜ ao com os demais cen´ arios com interferências.. Figura 4 Rede de sensores sem fio (n´ os sensores A e B) operando sem interferência eletrônica.. 3.3.3. Cen´ ario 2: RSSF interferindo em outra RSSF Este cen´ ario foi composto por duas redes de sensores sem fio dife-. rentes operando no mesmo ambiente. Todas as redes desse experimento s˜ ao compostas por n´ os sensores MicaZ (equipados com r´ adios Chipcon CC2420). A rede de sensores sem fio interferente operou sempre no canal 19, enquanto a outra do mesmo tipo alvo da interferência utilizou todos os canais dispon´ıveis (do canal 11 ao 26).O objetivo desse experimento é analisar o quanto uma rede de sensores sem fio pode afetar a opera¸c˜ ao de outra rede similar. A Figura 5 representa o cen´ ario descrito. 3.3.4. Cen´ ario 3: WLAN IEEE 802.11 interferindo em uma RSSF Os dispositivos da rede WLAN (Access Point 2,4 GHz, laptop e. smartphone) enviam pacotes continuamente a uma taxa de 54 Mbps e operam no canal 2. A Figura 6 mostra o cen´ ario descrito nessa parte do experimento..

(38) 36. Figura 5 Rede de sensores sem fio (n´ os sensores A e B) sofrendo interferência de outra (nós sensores C e D).. Figura 6 Rede de sensores sem fio sofrendo interferência de uma rede WLAN IEEE 802.11.. 3.3.5. Cen´ ario 4: Rede Bluetooth interferindo em uma RSSF Para esse cen´ ario foram utilizados, além da rede de sensores sem fio,. um laptop e um smartphone formando uma rede Bluetooth IEEE 802.15 realizando transferência cont´ınua de dados, conforme mostra a Figura 7..

(39) 37. Figura 7 Rede de sensores sem fio sofrendo interferência de uma rede Bluetooth.. 3.3.6. Cen´ ario 5: Forno de micro-ondas interferindo em RSSF Este experimento consiste de uma rede de sensores sem fio sofrendo. interferência de um forno de micro-ondas operando com potência de 1 KW. O objetivo desse experimento é avaliar o comportamento de redes de sensores sem fio sob interferência de dispositivos que operam na frequência de 2,4 GHz, porém sem transmiss˜ ao de dados. A Figura 8 representa o cen´ ario do experimento descrito nessa se¸c˜ ao.. Figura 8 Rede de sensores sem fio sofrendo interferência de um forno de micro-ondas..

(40) 38 3.4. Prot´ otipo de n´ o sensor multirr´ adio Um prot´ otipo de nó sensor com m´ ultiplos r´ adios, mostrado na Fi-. gura 9, foi constru´ıdo utilizando-se dois n´ os sensores: um MicaZ e um Mica2. Para facilitar a constru¸c˜ ao do prot´ otipo, o n´ o sensor MicaZ utiliza o seu pr´ oprio r´ adio (Chipcon CC2420) e o r´ adio do n´ o sensor Mica2 (Chipcon CC1000). Desse forma, foi poss´ıvel criar um n´ o sensor multirr´ adio e multifrequência, uma vez que o r´ adio Chipcon CC2420 opera na faixa de 2,4 GHz e o r´ adio CC1000 opera na faixa de 900 MHz. Sendo assim, o prot´ otipo proposto neste trabalho é um n´ o sensor multifrequência e multicanal, podendo escolher qual é a melhor frequência de opera¸c˜ ao (2,4 GHz ou 900 MHz) e o melhor canal em um determinado momento (16 canais no r´ adio CC2420 e 3 canais no r´ adio CC1000).. Figura 9 Prot´ otipo de n´ o sensor multirr´ adio..

(41) 39 Além das duas op¸c˜ oes de frequências, o prot´ otipo possui a caracter´ıstica de sensoriamento de espectro e sele¸c˜ ao dinˆ amica de canais. Assim, o n´ o sensor com m´ ultiplos r´ adios verifica qual é o canal com o menor n´ıvel de ru´ıdo (por meio do RSSI) e passa a utiliz´ a-lo. Antes que o canal seja alterado, o prot´ otipo envia mensagens para os outros n´ os da rede para comunicar o canal escolhido, conforme mostrado no Algoritmo 1. 1. 2 3 4. 5 6 7. 8 9 10 11. escolheMelhorCanal(CanalMicaZ,CanalMica2,V List, canalEscolhido); /* Verificar o melhor canal em 2,4 GHz para cada Canali ∈ CanalMZ hacer se Canali .RSSI ≥ melhorCanalMicaZ.RSSI ent˜ ao melhorCanalMicaZ ← Canali ;. */. /* Verifica o melhor canal em 900 MHz para cada Canal j ∈ CanalMica2 hacer se Canal j .RSSI ≥ melhorCanalMica2.RSSI ent˜ ao melhorCanalMica2 ← Canal j ;. */. /* Escolhe o melhor canal */ se melhorCanalMicaZ.RSSI ≥ melhorCanalMica2.RSSI ent˜ ao canalEscolhido ← melhorCanalMicaZ; sen˜ ao canalEscolhido ← melhorCanalMica2; /* Notifica a escolha aos vizinhos para cada Vi ∈ listaVizinhos hacer notificaVizinho(Vi , canalEscolhido);. */. */. 15. /* Verifica o estado do enlace se semComunicacao = verdadeiro ent˜ ao canalEscolhido ← 11;. 16. Retorna canalEscolhido;. 12 13. 14. Algoritmo 1: Escolha do melhor canal baseada no RSSI. O algoritmo de escolha do melhor canal seleciona o canal na faixa de 2,4 GHz com o melhor RSSI (linhas 2-4). O mesmo é feito para a frequência.

(42) 40 de 900 MHz (linhas 5-7). Ent˜ ao, o algoritmo compara os canais escolhidos em cada uma das frequências e escolhe o melhor deles (linhas 8-11). Se ocorrer algum problema que impe¸ca os n´ os sensores vizinhos de selecionar o mesmo canal, os n´ os sensores devem selecionar o canal 11 para que a comunica¸c˜ ao entre eles seja restabelecida (linhas 14-15). Essas técnicas, empregadas no desenvolvimento do algoritmo, foram inspiradas por (CORREIA et al., 2012). 3.4.1. Defini¸ c˜ ao das m´ etricas dos experimentos pr´ aticos As métricas adotadas na coleta de dados dos experimentos para ava-. lia¸c˜ ao do comportamento de rede de sensores sem fio sofrendo interferência foram as seguintes: • RSSI (Received Signal Strength Indicator ): em sistemas sem fio IEEE 802, a RSSI pode ser considerada como uma medida de for¸ca relativa do sinal de r´ adio recebido em uma antena, em unidades arbitr´ arias. Portanto, o valor de RSSI mais alto (ou menos negativo em alguns dispositivos) representa o sinal mais forte. • N´ umero de pacotes perdidos: contagem da quantidade de pacotes perdidos durante o envio. • Taxa de entrega de pacotes: para essa métrica foi considerada a raz˜ ao entre o n´ umero de pacotes recebidos e o n´ umero de pacotes enviados. 3.5. Experimentos em ambientes simulados Os algoritmos de decis˜ ao do melhor canal foram implementados e. executados em um simulador de redes de sensores sem fio. O software.

(43) 41 escolhido foi o Castalia, um simulador de RSSF e outras redes de dispositivos embarcados de baixa potência. O Castalia é baseado na plataforma OMNeT++ e pode ser utilizado por pesquisadores e desenvolvedores que queiram testar algoritmos distribu´ıdos e/ou protocolos em ambientes com comportamento real´ıstico (BOULIS, 2010). Para este trabalho foi utilizada a vers˜ ao 3.0 adaptada por (OLIVEIRA, 2011), que realizou uma adequa¸c˜ ao no m´ odulo do r´ adio, inserindo m´ ultiplos modelos de r´ adio e um controlador de r´ adio respons´ avel por selecionar que r´ adio estar´ a ativo. Tal caracter´ıstica tem grande utilidade no processo de comuta¸c˜ ao entre os diferentes rádios para que os requisitos de banda e qualidade de servi¸co sejam atendidos. Essa adapta¸c˜ ao permite que os n´ os sensores operem com dois r´ adios (CC2420 e CC1000, com faixas de frequências de 2,4 GHz e de 900 MHz, respectivamente). Para essas simula¸cões, foram desenvolvidas duas técnicas para sensoriamento de espectro e decis˜ ao do melhor canal utilizando-se n´ os sensores com m´ ultiplos r´ adios. A primeira delas baseia sua escolha do melhor canal dispon´ıvel na qualidade do sinal, por meio de medi¸c˜ oes de RSSI. J´ aa segunda técnica utiliza, além do RSSI, os parˆ ametros de rela¸c˜ ao sinal interferência ru´ıdo (SINR - Signal Interference Noise Ratio), o ru´ıdo base e a latência. Para analisar esses parˆ ametros foi utilizada a técnica chamada AHP (Analytical Hierarchical Process) (SAATY, 2000; SAATY, 2006). O método AHP utilizado neste trabalho calcula de forma autom´ atica os pesos dos parˆ ametros de classifica¸c˜ ao de canal por meio do conceito de entropia de Shannon proposto por (GE et al., 2009). Para o c´ alculo dos pesos é utilizada uma matriz de parˆ ametros MC×P , na qual cada linha C é uma leitura referente aos parˆ ametros de um canal e P s˜ ao as colunas referentes aos.

(44) 42 parˆ ametros (ru´ıdo, RSSI, SINR, atraso) desses canais. Essas técnicas de sele¸c˜ ao dinˆ amica de canais desenvolvidas neste trabalho foram chamadas de DSCMAC (Dynamic Selection Channel MAC ) e DSCMAC-AHP (Dynamic Selection Channel MAC - AHP ), respectivamente. Os protocolos de escolha de canal para redes de sensores sem fio propostos neste trabalho s˜ ao inspirados no protocolo T-MAC (Time-out-MAC ) (DAM; LANGENDOEN, 2003). Esse protocolo é baseado em conten¸c˜ ao, o que significa que dois ou mais n´ os sensores podem transmitir simultaneamente e com risco de perdas de pacotes devido ` a colis˜ ao. O T-MAC foi desenvolvido para aplica¸c˜ oes dirigidas a eventos que possuem baixa taxa de entrega, insensibilidade ` a latência e com transmiss˜ ao cont´ınua ou peri´ odica de dados. O objetivo principal do T-MAC é ser um protocolo energeticamente eficiente, considerando as poss´ıveis limita¸c˜ oes de hardware dos n´ os sensores e os padr˜ oes de comunica¸c˜ ao de RSSF. A proposta do protocolo T-MAC é utilizar ciclos de atividade e repouso para diminuir o consumo de energia. Um temporizador (TA ) é utilizado para controlar o tempo em que o n´ o fica ativo. A Figura 10 mostra um exemplo de ciclo do protocolo T-MAC (CORREIA et al., 2005). As mensagens recebidas durante o tempo de repouso s˜ ao armazenadas e transferidas em rajadas de tamanho vari´ avel no in´ıcio do tempo de atividade. O n´ o sensor escuta a rede, transmite e recebe dados durante seu tempo ativo. O temporizador determina o final do tempo ativo quando n˜ ao ocorrem eventos durante um tempo TA . As adapta¸c˜ oes feitas no T-MAC para este trabalho inseriram caracter´ısticas cognitivas ao protocolo que, originalmente, n˜ ao realiza troca de canais. A proposta é permitir que os n´ os sensores realizem sensoriamento.

(45) 43. Figura 10 Ciclo adaptativo do protocolo T-MAC. de espectro e sele¸c˜ ao do melhor canal dispon´ıvel. Um dos critérios utilizados foi escolher o melhor canal dispon´ıvel com base na for¸ca do sinal recebido (RSSI). A segunda abordagem utiliza, além do RSSI, o SINR, o ru´ıdo base e a latência para escolher o melhor canal com base no método de decisão AHP. Além dos métodos de sele¸c˜ ao dinˆ amica de canais, foi desenvolvida uma técnica que permite que os n´ os sensores ajustem dinamicamente o tempo entre cada sele¸c˜ ao de canal de acordo com as condi¸c˜ oes da rede e a tolerˆ ancia a falhas da aplica¸c˜ ao. Para permitir essa varia¸c˜ ao no tempo entre cada sele¸c˜ ao de canal, foi utilizada a fun¸c˜ ao de amortiza¸c˜ ao chamada EWMA (Exponentially Weighted Moving-Average) ou média m´ ovel exponencialmente ponderada devido ` a sua simplicidade de c´ alculos e por n˜ ao exigir o armazenamento de valores e parˆ ametros em mem´ oria. O EWMA é uma fun¸c˜ ao em que os valores mais antigos s˜ ao decrementados exponencialmente. Essa média é baseada em um fator α, no qual 0 < α < 1. Assim, o EWMA evita varia¸c˜ oes bruscas no tempo entre sele¸c˜ oes de canais (COR-.

(46) 44 REIA, 2006). A técnica proposta neste trabalho consiste em alterar, em tempo real, o per´ıodo entre cada sele¸c˜ ao (e poss´ıvel troca) de canal em cada n´ o sensor, caso a taxa de entrega de pacotes esteja momentaneamente inferior um limite pré-estabelecido. Esse mecanismo foi desenvolvido com base no EWMA e inspirado no método do protocolo TCP (Transmission Control Protocol ) usado para estimar o tempo total de transmiss˜ ao de ida e volta (RTT - Round-Trip Time) em uma determinada conex˜ ao (KUROSE; ROSS, 2012), sendo descrito pela Equa¸c˜ ao 1:. tnovo = (1 − α) × tatual + α × timediato. (1). na qual, tnovo é o novo tempo calculado para periodicidade do processo de escolha do melhor canal, tatual é o tempo atual de periodicidade do processo de escolha do melhor canal, timediato é o tempo decorrido entre a execu¸c˜ ao de um processo de escolha do melhor canal e a ocorrência de perdas significativas (timediato = t f alha − tdecorrido ). O valor de α é um fator utilizado para indicar o tipo de abordagem a ser adotada. Assim, quanto menor o valor de α, mais conservadora ser´ a a abordagem, ou seja, no caso de ocorrência de falha, o timediato ter´ a uma menor influência no c´ alculo do tnovo . De maneira a a influência do timediato no an´ aloga, quanto maior o valor de α, maior ser´ valor do tnovo . A Figura 11 mostra o funcionamento desse mecanismo de ajuste dinˆ amico e em tempo real da periodicidade do processo de escolha do melhor canal dispon´ıvel para a opera¸c˜ ao. Caso sejam detectados n ciclos sem perdas superiores ao limite préestabelecido, o tatual deve retornar ao valor um padr˜ ao (t padrao ) e deve permanecer com esse valor até que as falhas superem o limiar, conforme mostra o Algoritmo 2..

(47) 45. 1 2. 3. 4. 5. 6 7. 8. calculaTempoDeEscolha (al pha, f alhaTolerada,taxaEntrega,tAtual,tImed,tNovo,tPadrao); /* Verifica se a taxa de entrega est´ a abaixo do limite */ se taxaEntrega < f alhaTolerada ent˜ ao /* Calcula o novo tempo */ tNovo = (1 − al pha) ∗ tAtual + (al pha ∗ tImed); /* O tempo atual ´ e atualizado */ tAtual = tNovo; /* A vari´ avel que armazena o n´ umero de ciclos sem falha ´ e zerada */ semFalhasSucessivas = 0; sen˜ ao /* A vari´ avel que armazena o n´ umero de ciclos sem falha ´ e incrementada */ semFalhasSucessivas + +;. 10. /* Verifica se a n~ ao ocorr^ encia de falhas chegou ao valor determinado */ se semFalhasSucessivas ≥ n ent˜ ao /* O tempo atual ´ e atualizado */ tAtual = tPadrao;. 11. Retorna tAtual;. 9. Algoritmo 2: Calcula o tempo entre duas escolhas de melhor canal..

(48) 46. Figura 11 Mecanismo de ajuste dinˆ amico e em tempo real da periodicidade do processo de escolha do melhor canal. O algoritmo de c´ alculo do tempo entre escolhas de canal verifica se a taxa de entrega de pacotes est´ a inferior ao limite m´ınimo tolerado (linha 3). Caso esteja, o valor do novo tempo é calculado (linha 4) e, em seguida, atribu´ıdo ` a vari´ avel de tempo atual (linha 5). Além disso, a vari´ avel que armazena o n´ umero de ciclos sem falhas recebe o valor zero (linha 6). Porém, se a taxa de entrega ainda permanecer superior ao limite m´ınimo tolerado, a vari´ avel que armazena o n´ umero de ciclos sem falhas é incrementada em uma unidade (linha 8). Em seguida, o algoritmo verifica se o n´ umero de ciclos sem falhas chegou a um determinado valor (linha 9). Caso tenha chegado, o valor o tempo atual é atualizado para o tempo padr˜ ao escolhido (linha 10). 3.5.1. Cen´ arios de simula¸ c˜ oes Durante as simula¸c˜ oes, diversas composi¸c˜ oes de cen´ arios foram tes-. tadas e avaliadas. Devido a quest˜ oes de custo e escalabilidade, os ambientes de simula¸c˜ ao avaliados s˜ ao mais complexos do que os ambientes de experimenta¸c˜ ao reais. Nas simula¸co˜es foram utilizados 18 n´ os sensores equipados com dois r´ adios cada (CC2420 e CC1000) que ficaram distribu´ıdos conforme.