Wireless Sensor Networks: a
survey
&
A Survey on Sensor Networks
I. F. Akyildiz, W. Su,
Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci
Gustavo Zanatta Bruno
zanatta@ic.uff.br
Paulo Rogério S. S. Filho
progerio@ic.uff.br
Disciplina:
Tópicos
● Introdução ● Aplicações
● Fatores que influenciam o design da rede ● Arquitetura da comunicação
Introdução
Sensores podem ser implantados de duas maneiras:
● posicionados longe do fenômeno real "aleatoriamente"
● disposição e topologia são cuidadosamente projetados
Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) são densamente implantadas:
● no interior de um fenômeno ● próximo a um fenômeno
Introdução
Principais diferenças com as redes ad hoc: ● Número de nós da rede é bem maior
● Nós são densamente implantados ● Nós são propensos a falhas
● Topologia pode mudar frequentemente
● Usam paradigma de comunicação broadcast ● Restrições de hardware
Aplicações
São capazes de monitorar uma grande
variedade de condições ambientais e físicas: ● temperatura ● umidade ● movimento de veículos ● condição relâmpago ● pressão ● concentração de poluentes
Aplicações
● Composição do solo ● Níveis de ruído
● Presença ou ausência de certos tipos de objetos
● Níveis de estresse mecânicos em objetos ● Características como velocidade, direção e
Aplicações: Militares
Exemplos de aplicações militares:
● Monitorar as forças aliadas, equipamentos e munições
● Vigilância de terrenos críticos ● Direcionamento
● Avaliação de danos de batalha
● Reconhecimento e detecção de ataques químicos e biológicos e nucleares
Aplicações: Ambientais
Exemplos:
● Monitoramento da Terra ● Exploração planetária
● Detecção de incêndios florestais
● Mapeamento da biocomplexidade do ambiente
● Detecção de inundação ● Agricultura de precisão
Aplicações: Saúde
● Telemonitorização de dados fisiológicos humanos
● Rastreamento e monitoramento de médicos e pacientes
Aplicações: Domésticas
Exemplos:
● Automação doméstica ● Ambiente inteligente
Aplicações: Comerciais
Exemplos:
● Controle ambiental em edifícios de escritórios
● Museus interativos
● Detectar e monitorar roubos de automóveis ● Gerenciando o controle de estoque
● A tolerância a falhas é a capacidade de sustentar as funcionalidades da rede de
sensores sem qualquer interrupção devido às falhas
● A falha dos nós sensores não deve afetar o funcionamento de uma RSSF como um todo
Fatores que influenciam o design da
rede de sensores: Tolerância a falhas
● O número de nós de sensores implantados é da ordem das centenas ou milhares
● A densidade pode variar de poucos nós sensores para centenas de nós sensores em uma região
Fatores que influenciam o design da
rede de sensores: Escalabilidade
● Custo ser inferior a US$ 1 para a rede de sensores para ser viável
Fatores que influenciam o design da
rede de sensores: Custos US$
Fatores que influenciam o design da
rede de sensores: Hardware
Fatores que influenciam o design da
rede de sensores: Hardware
Requisitos de hardware:
● ter um consumo de energia extremamente baixo,
● operar em altas densidades,
● ter baixo custo de produção e ser descartável,
● ser autônomo e operar sem supervisão, ● ser adaptável ao ambiente.
Fatores que influenciam o design da
rede de sensores: Hardware
Fatores que influenciam o design da
rede de sensores: Topologia
Eles podem ser implantados de diversas formas:
● jogados de um avião,
● em um foguete de artilharia shell, ou míssil, ● arremesso por uma catapulta (a partir de um
bordo do navio, etc),
● colocados em uma fábrica, e
● colocando um por um, por um ser humano ou um robô
Fatores que influenciam o design da
rede de sensores: Topologia
Após a instalação, ocorrem mudanças na topologia devido:
● mudança de posição,
● acessibilidade (devido aos
congestionamentos, ruídos, obstáculos móveis, etc),
● energia disponível,
● mal funcionamento, e
Fatores que influenciam o design da
rede de sensores: Ambiente
Os sensores podem estar nos mais diversos ambientes, como:
● em cruzamentos movimentados,
● no interior de uma máquina de grande porte, ● na parte funda de um oceano,
● dentro de um tornado,
● sobre a superfície de um oceano durante um tornado,
● em um campo biologicamente ou quimicamente contaminado,
Fatores que influenciam o design da
rede de sensores: Ambiente
● em um campo de batalha para além das linhas inimigas,
● em uma casa ou um grande edifício, ● em um grande armazém,
● ligado a animais,
● ligado ao rápido veículos em movimento, e ● em um rio em drenagem ou movendo-se.
Fatores que influenciam o design da
rede de sensores: Meio de
transmissão
Para permitir o funcionamento global das
redes, o meio de transmissão escolhido deve estar disponível em todo o mundo.
● Radio ISM
● Infravermelho ● Óptica
Fatores que influenciam o design da
rede de sensores: Meio de
Fatores que influenciam o design da
rede de sensores: Consumo
energético
● Consumo de energia pode ser dividido em três domínios: sensoriamento, comunicação e processamento de dados.
● Um nó sensor gasta mais energia em comunicação de dados.
● O consumo energético para transmissão de 1 KB a uma distância de 100 m é
aproximadamente a mesma para a
execução de 3 a 100 milhões de instruções por segundo.
Arquitetura de comunicação:
Pilha de Protocolos
● Combina consciência de energia e roteamento,
● Integra os dados com os protocolos de rede, ● A comunicação é realizada de forma
eficiente pelo meio sem fio,
● Promove o esforço cooperativo entre os nós sensores.
Arquitetura de comunicação:
Pilha de Protocolos
Arquitetura de comunicação:
Camada Física
● Responsável por: ○ Seleção de frequência ○ Geração de frequência ○ Detecção de sinal ○ ModulaçãoArquitetura de comunicação:
Camada Física
● Comunicação sem fio por longas distâncias é cara em termos energéticos e de
complexidade de implementação
○ Redução do consumo de energia é um fator crítico!
● Esquemas de modulação:
○ Binário: mais eficiente ○ M-nário:
○ outros: UWB, IR, PPM...
Arquitetura de comunicação:
Camada Física
● Questões em aberto:
○ Esquemas de modulação mais precisos ○ Estratégias para superação dos efeitos da
propagação do sinal
Arquitetura de comunicação:
Camada de Enlace
● Responsável por:
○ Multiplexação dos fluxos de dados ○ Detecção dos quadros de dados
○ Controle de acesso ao meio sem fio ○ Controle de erro
Arquitetura de comunicação:
Camada de Enlace
● Os protocolos MAC devem:
○ Criar a infraestrutura de comunicação salto-a-salto da rede de sensores sem fio
○ Realizar o compartilhamento justo e eficiente dos recursos de comunicação entre os nós sensores
● Priorizar a economia de energia é também uma questão chave nessa camada
Arquitetura de comunicação:
Camada de Enlace
● Controle de Acesso ao Meio
○ Os protocolos MAC existentes não levam em
consideração as restrições energéticas das RSSF
○ Os rádios dos nós sensores são menos potentes e alcançam menores distâncias
○ Além disso, a falta de infraestrutura centralizada de uma RSSF adiciona complexidade ao projeto de algoritmo eficientes
Arquitetura de comunicação:
Camada de Enlace
● Protocolos MAC para RSSF
○ Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks (SMACS)
■ Permite que os nós descubram seus vizinhos e
estabeleçam escalas de transmissão e recepção para se comunicarem sem precisar de líderes.
■ Para que não haja colisões, ao estabelecer canais de comunicação com os nós vizinhos, cada nó assume uma frequência distinta.
■ Estabelecido o canal, a comunicacao e intermitente, embora o rádio transmissor fique desativado quando não há informacoes a transmitir.
Arquitetura de comunicação:
Camada de Enlace
● Protocolos MAC para RSSF ○ Eavesdrop-and-Register (EAR):
■ Objetiva oferecer serviço contínuo aos nós móveis sob condições estáticas ou não.
■ Os nós controlam a conexão e decidem quando
encerrá-la, reduzindo a sobrecarga de mensagens na rede.
Arquitetura de comunicação:
Camada de Enlace
● Protocolos MAC para RSSF ○ CSMA-Based MAC:
■ O CSMA tradicional supõe tráfego contínuo,
enquanto os protocolos baseados em CSMA para RSSF devem suportar tráfego eventual.
■ Dois componentes essenciais: mecanismo de escuta do meio e backoff.
■ Controle de taxa de transmissão adaptativo (ARC) também é importante.
Arquitetura de comunicação:
Camada de Enlace
● Protocolos MAC para RSSF ○ Hybrid TDMA/FDMA-Based:
■ Objetivo é encontrar o número ótimo de canais que minimize o consumo de energia.
■ Depende da razão entre o consumo do transmissor e do receptor.
■ Se o transmissor consume muita energia, usa-se o TDMA
■ Se o receptor consume muita energia, então usa-se o FDMA.
Arquitetura de comunicação:
Camada de Enlace
Protocolo MAC Modo de Acesso ao Canal Características Especiais Conservação energética SMACS e EAR Alocação fixa de espaços de tempo duplos numa frequência
fixa.
Aproveita o fato da largura de banda disponível ser muito maior que a largura de
banda dos dados sensoriais.
Tempo de wake up aleatório além de desligar o rádio quando
inativo.
Hybrid TDMA/FDMA Frequência centralizada
e divisão no tempo.
Número de canais ótimo calculado para um sistema de energia
mínima.
Abordagem baseada no hardware para economia
de energia.
CSMA-Based MAC Acesso aleatório por
disputa.
Usa métodos
adaptativos para controle de taxa de transmissão.
Tempo de escuta constante para eficiência
Arquitetura de comunicação:
Camada de Enlace
● Modos de Operação de Economia de Energia
○ Desligar o rádio sempre que inativo pode consumir mais energia do que deixá-lo ligado diretamente
○ Só é eficiente se for maior que um certo threshold
● Mecanismos para Controle de Erros
○ Correção de erro (FEC)
Arquitetura de comunicação:
Camada de Enlace
● Questões em aberto:
○ Protocolos MAC para RSSF móveis
○ Determinar o limite mínimo de restrições energéticas para o auto-gerenciamento da rede
○ Controle de erro de codificação
Arquitetura de comunicação:
Camada de Rede
● Princípios para projeto da camada de redes em RSSF:
○ Eficiência energética ○ Foco nos dados
○ Agregação de dados é útil apenas quando não atrapalha o esforço de colaboração dos nós sensores
○ Uma RSSF ideal tem endereçamento baseado em atributos e ciência do local
Arquitetura de comunicação:
Camada de Rede
● Roteamento baseado na eficiência energetica (PA,α):
○ Maximizar PA da rota ○ Minimizar α da rota
○ Minimizar o número de saltos até o sink ○ Minimizar o PA da rota
● Roteamento baseado nos dados:
○ Disseminação de interesses
Arquitetura de comunicação:
Camada de Rede
● Protocolos de Roteamento para RSSF
○ Minimum Energy Communication Network
(MECN):
■ Calcula a eficiência energética da rede
○ Small Minimum Energy Communication Network
(SMECN):
■ Calcula a eficiência energética de uma subrede interna à rede do MECN
Arquitetura de comunicação:
Camada de Rede
● Protocolos de Roteamento para RSSF
○ Inundação (Flooding):
■ Nó recebe pacote e replica em broadcast para seus vizinhos
■ Condição de parada: se o número máximo de saltos do pacote foi alcançado ou se o
destinatário é o próprio nó
■ Deficiências: implosão, sobreposição (dois nós com mesma região de observação) e não-ciência de recursos energéticos
○ Bisbilhotar (Gossiping):
■ Seleciona vizinhos aleatoriamente para receber dados
Arquitetura de comunicação:
Camada de Rede
● Protocolos de Roteamento para RSSF
○ Sensor Protocols for Information Via Negotiation
(SPIN):
■ Antes de enviar os dados completos, o nó fonte envia uma mensagem broadcast com o descritor dos dados (ADV) para os vizinhos
■ Se o vizinho tiver interesse nesse descritor, então ele envia uma requisição (REQ)
■ O nó fonte envia os dados completos somente para os vizinhos que retornaram uma requisição
Arquitetura de comunicação:
Camada de Rede
● Protocolos de Roteamento para RSSF
○ Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy
(LEACH):
■ Reduz o consumo de energia dos nós através do revezamento da eleição de líderes
■ Nós formam clusters e reportam seus dados
somentes ao respectivos líderes de seus grupos no tempo determinado (TDMA)
■ Os líderes são responsáveis por rotear os dados até o nó sink
■ Ocorre uma nova configuração da rede de
Arquitetura de comunicação:
Camada de Rede
● Protocolos de Roteamento para RSSF
○ Directed Diffusion:
■ O nó sink envia uma mensagem de interesse para a rede com um descritor (valor-atributo) ■ Cada sensor armazena o interesse em cache ■ O interesse é propagado e gradientes da fonte
da informação ao sink são criados
■ O dado é então encaminhado ao sink através da melhor rota (critérios definidos pela aplicação)
Arquitetura de comunicação:
Camada de Transporte
● Essa camada não funciona bem em RSSF, apenas em casos de conexão externa com a Internet
○ Limitações de hardware
○ Nós sensores não podem armazenar grandes
quantidades de dados como um servidor
Arquitetura de comunicação:
Camada de Aplicação
● Protocolos de aplicação para RSSF:
○ Sensor Management Protocol (SMP):
■ fornece as operações de software necessárias para executar tarefas administrativas, como:
● introdução de regras relativas à agregação de dados e agrupamento de nós sensores
● troca de dados relativas aos algoritmos de localização ● sincronização de tempo entre nós sensores
● movimentação dos nós móveis
● alternar estado dos rádios entre ligado e desligado
Arquitetura de comunicação:
Camada de Aplicação
● Protocolos de aplicação para RSSF:
○ Task Assigment and Data Advertisement
Protocol (TADAP):
■ Disseminação de interesses
■ Aviso de disponibilidade de dados
○ Sensor Query and Data Dissemination Protocol
(SQDDP):
■ Fornece interfaces para usuários realizarem e responderem à consultas e coletarem respostas recebidas
Conclusão
● A flexibilidade, tolerância a falhas, alta fidelidade de detecção, baixo custo e implantação rápida
● Redes de sensores são extremamente dinâmicas, mesmo na mais estável das situações
● Restrições são muito rigorosas e específicas:
○ Consumo de energia
○ Capacidade de processamento ○ Capacidade de armazenamento
Críticas e Comentários
● Preço do hardware subestimado ● Referência na sub-área
● Data de publicação
● Artigo bastante abrangente
