ESTUDOS E IMPLEMENTAÇÃO DE PROTOCOLOS DE
ROTEAMENTO PARA REDE DE SENSORES
Andrius Henrique Sperque
Faculdade de Engenharia ComputaçãoCEATEC
andrius.hs@puc-campinas.edu.br
Prof. Dr. Omar Carvalho Branquinho
Sistemas de Telecomunicações e Informática –Gestão de Redes e Serviços CEATEC
branquinho@puc-campinas.edu.br
Resumo: Com o advento das comunicações sem fio
foram estabelecidas as Redes Sensores Sem Fio (RSSF), contribuindo assim com estudos nas áreas de sensoriamento, algoritmos de roteamento, proto-colos de roteamento, aplicabilidade de sensores e nos diversos outros campos tecnológicos que inte-gram esse tipo de rede.
Este resumo apresenta o estudo de protocolos de roteamento para redes de sensores sem fio, assim como desafios impostos pelas características do ambiente quanto à criação de um protocolo de rote-amento.
Palavras-chave: Protocolos de Roteamento,
Wire-less, Rede de Sensores sem Fio.
Área do Conhecimento: Sistemas de Telecomuni-cações – Gestão de Redes e Serviços – Qualidade de Serviço de Telecomunicações – CNPq.
1. INTRODUÇÃO
As Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) tem sido largamente empregadas nas diversas áreas da tec-nologia, assim como também na ciência, com o pro-pósito de transmitir dados que quando analisados e transformados em informações, geram sentido e posteriormente ações, seja ações geradas por má-quinas ou pelo homem. Assim como em redes ca-beadas, os dados devem trafegar através de vários pontos para chegar ao seu destino. O papel do pro-tocolo de roteamento é encontrar as melhores rotas para que os pacotes que contêm essas informações cheguem ao seu destino final, e assim alcance seu objetivo. Para que um protocolo de roteamento en-contre o melhor caminho é necessário um algoritmo de roteamento distribuído ou não distribuído, depen-dendo da topologia da rede. O papel do roteamento na rede de sensores é indispensável e de extrema importância, como será mostrado ao longo do relató-rio. Muitos são os pontos que devem ser considera-dos quanto à criação de um protocolo de roteamen-to.
2. PRINCIPAIS ASPÉCTOS PARA DESIGN E IMPLEMENTAÇÃO PROTOCOLO DE ROTEAMENTO
As RSSFs podem ser aplicadas em diversos tipos de ambientes, seja em um jardim, seja na realização de medições no interior de um vulcão. Todas as ca-racterísticas de cada ambiente levantam requisitos que necessitam ser contemplados para o encontro do melhor modelo de rede para o ambiente em questão. Assim, são apresentadas abaixo, algumas das principais características que devem ser estu-dadas no momento de concepção de um protocolo de roteamento.
Dinamismo da rede: uma rede de sensores pode
estar em mudança contínua quanto há disposição de seus nós, isso se torna um desafio perante a cri-ação de um protocolo de roteamento devido à difi-culdade de conhecer e lidar com os sensores em movimento [1].
Instalação dos nós: A disposição dos nós sensores
no ambiente tem uma ligação muito forte com a tec-nologia de transmissão sem fio, isso significa que o ambiente pode aumentar ou diminuir a qualidade da transmissão, perda de pacotes, retransmissões, pa-cotes corrompidos, distâncias longas e outros. Por-tanto, o local onde o mesmo é instalado pode dificul-tar a comunicação entre o nó e o restante da rede. A sua disposição pode afetar de uma maneira positiva ou negativa a performance da rede [1].
Considerações Energéticas: Um nó pode ter toda
a sua energia consumida realizando processamento e transmissões [3]. A energia é um dos pontos cha-ves para o sucesso de uma RSSF com fonte de energia limitada, visto que está diretamente ligada com a vida útil de toda a rede. Sendo assim, o mo-delo de roteamento adotado também deverá ser focado na economia de energia. O protocolo de ro-teamento deve ser otimizado para gerar poucas
re-transmissões, mensagens de configuração, e outras que fazem parte da rede de sensores. Os processos de configuração inicial da rede assim como a cria-ção de tabelas de roteamento influenciam no con-sumo de energia.
Escalabilidade: Uma rede de sensores sem fio
po-de conter centenas e até milhares po-de sensores, o protocolo de roteamento deve ser capaz de lidar, tanto com um baixo número de sensores, como com um alto número de sensores. A dificuldade na con-cepção de protocolos para grandes números de nós é falta de recursos, ou recursos limitados, quanto à memória de armazenamento para armazenar mais do que um determinado número de dados relacio-nados aos nós sensores [5].
Heterogeneidade de um nó: Em grande parte das
redes de sensores sem fio, os nós de uma rede são tratados como sendo homogêneos, isso significa que eles possuem as mesmas capacidades em ter-mos de poder computacional, memória, e poder energético. Porém, dependendo da aplicação, um sensor pode ter diferentes tipos de papéis ou capa-cidades [5]. A existência de um conjunto de senso-res com diferentes papéis pode trazer alguns aspec-tos interessantes e relevantes quanto ao processo de roteamento [1], Por exemplo: em uma aplicação utilizando uma topologia hierárquica, nós sensores que realizam apenas o repasse de pacotes com mais freqüência do que outros, e por isso necessi-tam de uma bateria com maior longevidade. Tam-bém é possível notar que não há a necessidade do sensor possuir sensores para monitorar o ambiente já que sua função é apenas de repasse de mensa-gens recebidas do interior de cada sub-rede na hie-rarquia.
Tolerância a falhas: A falha de sensores na rede
não deve afetar as tarefas globais de um sensor. Se muitos sensores falham, os protocolos MAC e de Roteamento devem acomodar a formação da rede criando novos links e rotas de comunicação com a estação base de coleta de dados. Isso pode reque-rer ativamente ajustes na potência de transmissão, taxas de sinal sobre os links existentes pra reduzir o consumo de energia, ou re-encaminhamento de pa-cotes através de regiões onde há mais energia à disponível. Portanto, múltiplos leveis de redundância podem ser necessários na tolerância a falha em uma rede de sensores [5].
Cobertura de área: Numa rede de sensores, cada
nó sensor obtém uma visão da rede e do ambiente. O roteamento contribuiu levando a mensagem sobre cada visão de rede de cada nó, mesmo cada sensor tendo esta visão limitada da rede. [2].
2. PROTOCOLOS DE ROTEAMENTO
Em geral, o roteamento nas RSSFs pode ser base-ado em roteamento plano, roteamento hierárquico e baseados em localização geográfica [5].
Protocolos de roteamento plano: Todos os nós
são considerados iguais do ponto de vista da rede de sensores, significando que a atividade de rotea-mento é tratada por todos os sensores da rede [5]. Segundo [Ruiz et al. 2004][5], alguns dos protocolos de roteamento são: Protocolo PROC (Proactive
Routing with Coordination) [Macedo et al., 2004],
TinyOS Beaconing [Beaconing, 2004], protocolo STORM/AD [Nakamura et al., 2004], Multi [Figueire-do et al., 2004], protocolo SAR (Sequential
Assign-ment Routing) [Sohrabi et al., 2000], SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation) eo SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation)
[Intanagonwiwat et al., 2000].
Protocolos de roteamento Hierárquico: Os
proto-colos de roteamento hierárquicos são protoproto-colos que dividem os sensores em duas classes [5], os sensores (nós) fontes e os sensores (nós) líderes dos seus respectivos grupos. Cabe ao sensor líder realizar agregação ou fusão dos dados antes de re-enviá-los. Os protocolos LEACH [Heinzelman et al. 2000], TEEN [Manjeshwar e Agrawal 2001] e HAR [Thepvilojanapong et al. 2005], entre protocolos de roteamento hierárquicos.
Protocolos de roteamento baseados em localiza-ção geográfica: O roteamento geográfico, como
também é conhecido, utiliza informações de posicio-namento geográficas para o roteamento. [Ruiz et al. 2004] descreve que os dados de localização podem ser definidos a partir de um sistema de coordenadas globais (GPS - Global Position System) ou mesmo de um sistema local válido somente para os nós da rede ou válidos somente para subconjuntos de nós vizinhos. Alguns dos algoritmos de roteamentos conhecidos são, Geographic Routing without Loca-tionInformation [Rao et al., 2003], GeoMote
(Geo-graphic Multicast for networked sensors) [Broadwell
et al., 2004], GPSR (Greedy Perimeter Stateless
Em adicional, protocolos também podem ser classi-ficados como proativos, reativos e Híbridos, depen-dendo de como um nó fonte encontra um nó destino. Neste passo tratamos da descoberta de novas rotas para roteamento.
Protocolos Ativos: todas as rotas são computadas
antes que elas sejam realmente necessárias. Quan-do as posições Quan-dos Nós são estáticas, é preferível que o protocolo seja um protocolo proativo, ou me-lhor, dirigido por tabela de roteamento, com as in-formações das rotas gravadas em tabelas de rotea-mento, pois uma significante quantidade de energia é gasta na descoberta de novas rotas ou configura-ção de protocolos reativos.
Protocolos Reativos: Em protocolos reativos, as
rotas são computadas sobre demanda.
Em protocolos híbridos, ambas as idéias são utiliza-das como uma combinação. Duas formas pelas quais os protocolos de roteamento podem ser dividi-dos são, em categorias quanto à forma como os dados fluem pela rede, conhecido também como fluxo de dados, e pela categorização do endereça-mento dos nós e suas redes.
Quanto ao fluxo, o protocolo pode ser classificado como unicast, multicast e broadcast.
Fluxo Unicast: A mensagem não é repassada de
um nó para vários outros, a mensagem é repassada para apenas um nó e então a mesma é retransmiti-da para o nó seguinte, até que chegue ao nó desti-no.
Fluxo Broadcast: A mensagem é repassada para
todos os nós da rede e repassada por todos nova-mente até que chegue também ao nó destino. O ponto principal nesse caso é que toda a rede está consumindo energia enquanto que apenas alguns necessitariam estar fazendo isso. Outro ponto im-portante é que isso gera um grande overhead na rede, já que os nós tentariam retransmitir a mensa-gem num certo espaço de tempo.
Fluxo Multicast: No fluxo multicast, um nó
transmi-te para todos os outros nós de uma detransmi-terminada sub-rede e não para toda a rede, podendo transmitir para todos os nós de uma determinada região tam-bém.
3. PESQUISAS E ESTUDOS
Abaixo é apresentada a bancada de testes e de im-plementação criada durante o período de iniciação científica de 2009-2010, a bancada possui o softwa-re IAR Embedded Workbench for MSP430, o qual foi utilizado para a programação dos módulos (nós) sensores, descritos mais abaixo.
Figura 1: Bancada para pesquisas em RSSFs O software é fundamental para a realização da compilação de códigos fontes para os processado-res utilizados nos nós. Além disso, através dele são feitas gravações e testes dos programas nos kits de desenvolvimentos utilizados.
Figura 2: Software IAR Embedded Workbench® para TI MSP430
3.1 ESTUDOS REFERENTES AO HARDWARE
Durante o período de pesquisas o microcontrolador MSP430F2274 foi utilizado para os testes e criação da rede de sensores sem fio (modelo integrado ao kit de desenvolvimento). Como cada processador possui seus próprios conjuntos de Instruções, foi necessário continuar o estudo de sua biblioteca de instruções, assim como suas características técni-cas, como tensão de energização, freqüências de trabalho e seus periféricos. Periféricos tais como portas seriais, controladores Analógicos Digitais, LCD, e outros.
Devido à grande importância do transceptor, sendo o componente que realiza toda a comunicação pelo espaço, e um componente que necessita de atenção
quanto ao consumo de energia, também nesse perí-odo e com o passar do tempo, foram estudadas su-as característicsu-as.
3.2 ESTUDOS REFERENTES AO SOFTWARE
Após o período de estudos dos conceitos e protoco-los de roteamento, continuamos as pesquisas e estudos sobre o SimpliciTI Stack Protocol (Pilha de Protocolo SimpliciTI), também da empresa Texas Instruments. SimpliciTI é um protocolo baseado em conexões ponto - a - ponto para redes de sensores sem fio com baixo consumo de energia.
4. REDES CRIADAS
4.1. HARDWARE ADOTADO
Um nó básico é composto por aproximadamente cinco componentes físicos: microcontrolador, me-mória, transdutores e/ou atuadores, transceptor e fonte de energia. [4]
Portanto, para a criação das RSSFs apresentadas nesse documento foi utilizado o microcontrolador MSP430F2274cuja memória interna é 32kB Flash, 1KB de RAM, o transceptor CC2500 trabalhando na freqüência de 2.4GHz, ambos integrados no kit de desenvolvimento eZ430–RF2500. A fonte de energia utilizada foi uma bateria de 3 Volts (2 pilhas AAA ligadas em série, fornecendo 600 mAH quando em série). O sensor utilizado é um sensor interno ao microcontrolador cujo qual mede a temperatura de funcionamento do mesmo.
O microcontrolador e o transceptor possuem recur-sos para minimizar o consumo de energia, eles po-dem ser colocados em modo de baixo consumo quando não estão sendo utilizados.
O MSP430F2274 possuí 5 modos de baixo consumo que são ativados durante a execução do programa e de acordo com a escolha do programador, como mostra a Tabela 1.
Tabela 1. Modos de operação do MSP430F22x4
Modo Descrição
Normal Funcionamento normal, CPU ativa e todos os sinais de clock ativos
LPM0*
CPU parada e o sinal de clock principal é desativado. Os sinais de clock auxilia-res (SMCLK e ACLK) permanecem ati-vos.
LPM1 Idem ao LPM0, mas o DCO é desativa-do caso não esteja sendo utilizado para gerar o SMCLK ou o ACLK
LPM2 Idem ao LPM1, mas o sinal SMCLK é desativado
LPM3 Idem ao LPM2, mas o gerador DC do DCO é desativado LPM4 A CPU e todos os sinais de clock são desativados * LMP: Low Power Mode
Na tabela 2, são mostrados os valores de tensão e corrente medidos em laboratório. Tais medições permitem dimensionar o tempo aproximado em que um sensor permanecerá em funcionamento até que sua bateria acabe.
Tabela 2. Consumo de energia do kit eZ430-RF2500 Modo Consumo (mA) Tensão (V)
Normal 26,0 3,0 LPM0 0,495 3,0 LPM1 0,495 3,0 LPM2 0,291 3,0 LPM3 0,223 3,0 LPM4 0,268 3,0
O transceptor CC2500 pode ser desligado quando não houver a necessidade de transmissão. Além dessa opção, o mesmo pode entrar em modo de Idle Listen (Escuta inativa) o que permite que ele possa transmitir, mas não ouvir o meio. E com isso economizar energia.
A Figura 3 mostra os dispositivos que integram o kit de desenvolvimento eZ430-RF2500.
Figura 3. Kit de desenvolvimento eZ430-RF2500.
5. SIMPLICITI PROTOCOL
O SimpliciTI Protocol é um protocolo MAC com có-digo fonte aberto desenvolvido para redes de senso-res sem fio, é baseado em conexões ponto-a-ponto sendo possíveis duas topologias básicas: ponto-a-ponto e topologia estrela. Suporta três diferentes tipos de sensores: Access Point, End Device e Ran-ger Extender. [12]
• End Device (ED): é o dispositivo final, o qual realiza a função da camada de aplicação, o End Device pode ou não estar sempre ligado e pode ser transmissor e receptor (TX/RX), ou somente transmissor (TX).
• Access Point (AP): é o ponto principal da rede e deve ter uma bateria backup ou ser alimenta-do constantemente, o protocolo SimpliciTI per-mite somente um AP por rede. O AP pode fazer o gerenciamento de endereços da rede, gravar e enviar mensagens para dispositivos RX dormi-rem e funcionar como um ED ou um Ranger Ex-tender.
• Ranger Extender (RX): têm a função de re-transmitir uma determinada mensagem a outros sensores. Um Ranger Extender pode conter um atuador (funcionalidade do ED).
6.1. REDE COM PROTOCOLO DE ROTEAMENTO DIRECIONADA POR CONTROLE DE RSSI.
Como resultado dos estudos e desenvolvimentos, foi iniciado a criação de uma rede de sensores cujo protocolo de roteamento utiliza os valores de inten-sidade de sinal do rádio para tomada de decisão. A medida da intensidade de sinal de rádio nas co-municações em uma rede de sensores sem fios (RSSF - Received signal strength indication) é utili-zada para diversas funções vitais, especialmente para a localização dos nós sensores dentro da rede e para a estimação da qualidade de suas ligações [8].
O uso da RSSI para estimação da distância entre os nós sensores é um método impreciso, uma vez que um pequeno desvio no valor medido pode causar um grande desvio no valor da distância calculada em relação à real [8], mas sua utilização é preferível em RSSF por ser um método simples que não ne-cessita de hardware adicional.
Através do Sinal RSSI é possível identificar qual nó está mais perto de outro determinado nó, e então escolher a rota a partir de decisões condicionais Ocorre que, nem sempre enviando para o nó se-guinte que possui menos custo, será encontrado também o menor caminho. É possível utilizar o algo-ritmo de Dijkstra para o cálculo do menor caminho. O algoritmo de Dijkstra, cujo nome se origina de seu inventor, o cientista da computação Edsger Dijkstra, soluciona o problema do caminho mais curto num grafo dirigido ou não dirigido com arestas de peso não negativo, em tempo computacional O([m+n]log
n) onde m é o número de arestas e n é o número de vértices[7].
Figura 11. Grafo cujas letras representam os nós de uma
RSSF e os números à distância (pesos das arestas). A figura 11 mostra que para ir do nó E para o nó H utilizando somente a decisão pontual de qual é o menor custo até o próximo nó, teríamos um percur-so com custo total de 25 unidades (E, C, B, A, D, H), não podendo passar por um mesmo nó mais de uma vez. Vislumbrando o percurso com menor ca-minho, teríamos um percurso com custo total de 10 unidades (E, B, H). Conclui-se então que como a energia gasta é proporcional ao custo total de um percurso, quando utilizado o menor caminho, temos também um consumo de energia menor.
6.1.1. Material de Apoio
Para o projeto do protocolo de roteamento e para testes com outros tipos de redes, foi criado um ma-terial de apoio para os testes. Os nós ficam fixados a uma placa de madeira e podem ser alimentados por uma fonte de alimentação ligada a energia elé-trica ou por 2 baterias de 1,5 volts para cada sensor. As figuras 12 e 13 mostram a estrutura montada.
Figura 12. Aplicação em uma rede de sensores sem fio real.
Figura 13. Aplicação em uma rede de sensores sem fio real.
6.1.1. Estrutura Física e Lógica do Firmware
O projeto foi estruturado em camadas, assim como o modelo OZI. Esta abordagem facilita a manuten-ção do código e uma melhor didática no ensino de redes de sensores sem fio. Os arquivos do firmware também foram separados em camadas, facilitando assim a visão do projeto. A figura 13 mostra a divi-são e os arquivos utilizados. A camada de transporte não foi utilizada, pois não era o objetivo principal do trabalho. Mas foi mapeada para futuros trabalhos quanto à confiabilidade na entrega dos dados.
Figura 14. Estrutura do código do projeto.
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho tratou da criação e estudo de protoco-los de roteamento para redes de sensores sem fio. Isso possibilita que redes mais avançadas possam ser criadas e adaptadas em ambientes distintos, ocasionando mais estudos e obtenção de conheci-mento. Tratou também, dos desafios que compõem essas redes e um pouco de sua taxonomia.
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer ao Professor Dr. Omar Car-valho Branquinho pelas suas orientações. Agradeço também a FINEP por financiar o Laboratório de Pesquisas em Sistemas de Rádio (LP-SiRA) da PUC Campinas e IAR Systems por gentilmente con-ceder uma licença do software “IAR Embedded Workbench® para TI MSP430”. Agradeço também ao CNPQ pela concessão da bolsa de iniciação ci-entifica e aos funcionários da PUC-Campinas.
REFERÊNCIA
[1] K. Akkaya and M. Younis, "A Survey of Routing Protocols in Wireless Sensor Networks, " in the Elsevier Ad Hoc Network Journal, Vol. 3/3 pp. 325-349, 2005.
[2] Karl, H., Willig, A., (2005), Protocolsand
Ar-chitectures for Wireless Sensor Networks,
1sted., Wile
[3] Heinzelman,W. R., Chandrakasan, A., and Balakrishnan, H. (2000). Energy-efficient com-munication protocol for wireless microsensor networks. In Proceedings of the Hawaii Interna-tional Conference on System Sciences, Maui, Hawaii, USA.
[4] Slijepcevic, S.e Potkonjak, M. (2001). Power Efficient Organization of wireless sensor net-works. In IEEE International Conference of Communications, volume 2, pp. 472 – 476. [5] [Ruiz et al., 2004] Ruiz, L., Correia, L., Viei-ra, L., et al. Arquiteturas para Redes de Senso-res Sem Fio. In: 22o. Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores, p. 167-218, 2004. [6] Chandrakasan, Amirtharajah, Cho, Good-man, Konduri, Kulik, Rabiner, and Wang. De-sign Considerations for Distributed Microsensor Systems. In IEEE 1999 Custom Integrated Cir-cuits Conference (CICC), pages 279–286, May 1999.
[7] BARROS, E A R. Algoritmo de Dijkstra: Apoio Didático e Multidisciplinar na Implemen-tação, Simulação e Utilização Computacional. Disponível em:
http://meusite.mackenzie.com.br/edsonbarros/p ublicacoes’/ICECE2007_212.pdf. Acesso: 09 de março de 2009.
[8] Giacomin, J. C.; Vasconcelos F. H. Qualida-de da Medição Qualida-de IntensidaQualida-de Qualida-de Sinal nas Comunicações de uma Rede de Sensores Sem Fios: uma Abordagem da Camada Física. Re-vista Infocomp, Lavras, MG, v. 5, n. 2, p.83-92, Junho 2006. Disponível em:
www.dcc.ufla.br/infocomp/artigos/v5. 2/art11.pdf Acesso em: 10 nov. 2008.
[9] Texas Instruments. MSP430 Wireless
De-velopment tool.EZ430-RF2500. Disponível em:
<http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/ez4 30-rf2500.html>. Acesso em: 25 de junho de 2010.
