Redes de Sensores sem Fio Redes de Sensores sem Fio

(1)

Redes de Sensores sem Fio Redes de Sensores sem Fio

Projeto Integrado: MAC e Roteamento Projeto Integrado: MAC e Roteamento

Rafael Roque Aschoff Rafael Roque Aschoff

rra@cin.ufpe.br rra@cin.ufpe.br

Orientadores Orientadores

Eduardo Souto - esouto@gprt.ufpe.br Eduardo Souto - esouto@gprt.ufpe.br Djamel Sadok – jamel@gprt.ufpe.br Djamel Sadok – jamel@gprt.ufpe.br

(2)

Agenda Agenda

 IntroduçãoIntrodução

 AplicaçõesAplicações

 DesafiosDesafios

 CaracterísticasCaracterísticas

 SimuladoresSimuladores

 Plataforma de DesenvolvimentoPlataforma de Desenvolvimento

 Trabalhos FuturosTrabalhos Futuros

 Projeto Integrado: MAC e Roteamento Projeto Integrado: MAC e Roteamento

 Algoritmo OPERAlgoritmo OPER

 Interações X-LayerInterações X-Layer

 Simulação e ResultadosSimulação e Resultados

 Trabalhos futurosTrabalhos futuros

(3)

Introdução Introdução

 FísicosFísicos

 QuímicosQuímicos

 BiológicosBiológicos

Sensores Sensores Estímulo

Estímulo

Evolução TecnológicaEvolução Tecnológica

 Na área de microprocessadoresNa área de microprocessadores

 Novos materiais de sensoriamentoNovos materiais de sensoriamento

 Micro sistemas eletromecânicos (MEMS Micro sistemas eletromecânicos (MEMS – Micro Eletro-Mecanical System)

– Micro Eletro-Mecanical System)

 Comunicação sem fioComunicação sem fio

(4)

Redes

Redes de de Sensores sem Fio - RSSFs Sensores sem Fio - RSSFs



Grande número de nodos distribuídos Grande número de nodos distribuídos



Restrições de energia Restrições de energia



Mecanismos de auto-configuração e Mecanismos de auto-configuração e adaptação

adaptação



Autônomas Autônomas



Alto grau de cooperação Alto grau de cooperação

(5)

Aplicações de RSSFs Aplicações de RSSFs



Podem ser homogêneas ou heterogêneas Podem ser homogêneas ou heterogêneas em relação aos tipos, dimensões e

em relação aos tipos, dimensões e funcionalidades dos nodos sensores funcionalidades dos nodos sensores



Dimensões físicas dos sensores são Dimensões físicas dos sensores são dependentes do tipo de aplicação

dependentes do tipo de aplicação

Aplicação Aplicação Aplicação Aplicação

(6)

Áreas de Aplicação de RSSFs Áreas de Aplicação de RSSFs

Produção Industrial

Produção Industrial Linha de Montagem Linha de Montagem



Industrial Industrial

(7)

Áreas de Aplicação de RSSFs Áreas de Aplicação de RSSFs

Monitoramento das Condições Físicas Monitoramento das Condições Físicas

Circulatory Net

 MedicinaMedicina

(8)

Áreas de Aplicação de RSSFs Áreas de Aplicação de RSSFs

Biologia Marinha

Biologia Marinha Monitoramento de FlorestaMonitoramento de Floresta Monitoramento SísmicoMonitoramento Sísmico

 Meio AmbienteMeio Ambiente

(9)

Desafios Desafios



Aspectos dinâmicos do sistema Aspectos dinâmicos do sistema

 O mundo físico é dinâmicoO mundo físico é dinâmico

 Indisponibilidade de recursos, particularmente energiaIndisponibilidade de recursos, particularmente energia

 Muitos dispositivos para fazer configuração manualMuitos dispositivos para fazer configuração manual



Projeto é fortemente dependente da aplicação Projeto é fortemente dependente da aplicação



Energia é restrição Energia é restrição



Pré-configuração e conhecimento global do Pré-configuração e conhecimento global do sistema

sistema



Problemas específicos Problemas específicos

(10)

Simuladores R

Simuladores R SSFs SSFs



NS-2 NS-2

 

 

• Padrão para simulação de redesPadrão para simulação de redes

• Muita documentaçãoMuita documentação

• Utiliza OTcl e C++.Utiliza OTcl e C++.

• Dificuldade de uso e aprendizadoDificuldade de uso e aprendizado

• Suporte simulações wireless ainda incipienteSuporte simulações wireless ainda incipiente

• Possui apenas um modelo primitivo de Possui apenas um modelo primitivo de consumo de energia

consumo de energia

• Não trabalha bem com grandes topologiasNão trabalha bem com grandes topologias

(11)

Simuladores R

Simuladores R SSFs SSFs



SensorSim SensorSim

 

 

• Extensão para o NS-2Extensão para o NS-2

• Fornece modelos de bateria, modelos de rádio Fornece modelos de bateria, modelos de rádio de propagação e modelos de canais de

de propagação e modelos de canais de sensores

sensores

• Fornece uma leve pilha de protocolosFornece uma leve pilha de protocolos

• Há suporte para simulação híbridaHá suporte para simulação híbrida

• Dificuldade de uso e aprendizadoDificuldade de uso e aprendizado

• Pouca documentaçãoPouca documentação

(12)

Simuladores R

Simuladores R SSFs SSFs



TOSSIM TOSSIM

• Sistema Operacional baseado em componentes Sistema Operacional baseado em componentes denominado de TinyOS

denominado de TinyOS

• Linguagem NesC – extensão ao CLinguagem NesC – extensão ao C

• Gera executável para o simulador em algumas Gera executável para o simulador em algumas plataformas (Mica, Mica2, Mica2Dot)

plataformas (Mica, Mica2, Mica2Dot)

• Fornece modelos de bateria, modelos de rádio de Fornece modelos de bateria, modelos de rádio de propagação e modelos de canais de sensores

propagação e modelos de canais de sensores

• Interface – único ponto e acesso ao componenteInterface – único ponto e acesso ao componente

• Módulos – prover o código da aplicaçãoMódulos – prover o código da aplicação

• Configuração – conecta as interfaces e suas Configuração – conecta as interfaces e suas implementações

implementações

(13)

Simuladores R

Simuladores R SSFs SSFs



TinyViz TinyViz

 

^• Interface gráfica para o TOSSIM com código Interface gráfica para o TOSSIM com código fonte aberto em Java

fonte aberto em Java

• Conecta-se ao TOSSIM via sockets TCPConecta-se ao TOSSIM via sockets TCP

• Exibe os nodos participantes da simulação Exibe os nodos participantes da simulação

• Possibilita criação de Plugins que interagem Possibilita criação de Plugins que interagem com a rede.

com a rede.

(14)

Simuladores R

Simuladores R SSFs SSFs



TinyViz TinyViz

(15)

 Microprocessador ATmega103LMicroprocessador ATmega103L

 128k Memória de programa128k Memória de programa

 4k RAM Memória de dados4k RAM Memória de dados

 8 conversores AD8 conversores AD

 TR1000 915MHz radioTR1000 915MHz radio

 50kbps50kbps

 Signal Strength interfaceSignal Strength interface

 LEDSLEDS

 51-pin expansion connector51-pin expansion connector

Plataforma de Desenvolvimento Plataforma de Desenvolvimento

Mica Main Board Mica Main Board

(16)



Mica Sensor Board- MTS300CA/MTS310CA Mica Sensor Board- MTS300CA/MTS310CA

 Light (Photo)-Clairex CL94LLight (Photo)-Clairex CL94L

 Temperature-Panasonic ERT-J1VR103JTemperature-Panasonic ERT-J1VR103J

 Acceleration-ADI ADXL202Acceleration-ADI ADXL202

 Magnetometer-Honeywell HMC1002Magnetometer-Honeywell HMC1002

 MicrophoneMicrophone

 Tone DetectorTone Detector

 SounderSounder

Plataforma de Desenvolvimento

(17)

Projeto Integrado: MAC e Roteamento Projeto Integrado: MAC e Roteamento



OPER - OPER - ( ( O O n-Demand n-Demand P P ower- ower- E E fficient fficient R R outing Protocols outing Protocols ) )

 Conjunto de protocolos de roteamento para Conjunto de protocolos de roteamento para redes de sensores sem fio

redes de sensores sem fio..

 OPER-PE ( OPER-PE ( Path Energy-Aware Path Energy-Aware ) )



Seleção de rotas é realizada através Seleção de rotas é realizada através

de heurísticas que avaliam o estado

energético dos nós que compõem as

(18)

Mensagens do OPER-PE Mensagens do OPER-PE

 Hello – Hello – descoberta de vizinhos descoberta de vizinhos

 Route REQuest – requisição de Route REQuest – requisição de rota rota

 Route REPly – resposta de rota Route REPly – resposta de rota

 Route ERRor – erro na rota Route ERRor – erro na rota

(19)

Mensagem Hello

(20)

Mensagem de Requisição de Mensagem de Requisição de

Rota (RREQ)

(21)

Mensagem de Resposta de Mensagem de Resposta de

Rota (RREP)

(22)

Mensagem de Erro de Rota Mensagem de Erro de Rota

(RERR)

(23)

Interações Cross-Layer Interações Cross-Layer



A camada de roteamento e a camada A camada de roteamento e a camada MAC possuem algumas funcionalidades MAC possuem algumas funcionalidades

semelhantes:



Requisitos para a bidirecionalidade do link; Requisitos para a bidirecionalidade do link;



Podem implementam testes para Podem implementam testes para bidirecionalidade;

bidirecionalidade;



Podem implementar mecanismos de Podem implementar mecanismos de confirmação de mensagens;

confirmação de mensagens;



Podem detectar problemas no link (enlace Podem detectar problemas no link (enlace ou rota).

ou rota).

(24)

Propostas do trabalho atual Propostas do trabalho atual



Atualizar de forma mais rápida e precisa Atualizar de forma mais rápida e precisa a tabela de vizinhança dos nós;

a tabela de vizinhança dos nós;



Inferir sobre possíveis problemas de Inferir sobre possíveis problemas de conectividade entre vizinhos.

conectividade entre vizinhos.



Eliminar a mensagem de Hello; Eliminar a mensagem de Hello;



Decidir se o enlace é simétrico para Decidir se o enlace é simétrico para

garantir o sucesso das transmissões de garantir o sucesso das transmissões de

mensagens RREP.



Aplicação com conhecimento de rota Aplicação com conhecimento de rota

(25)

Simulação e Resultados Simulação e Resultados



Métrica de Desempenho Métrica de Desempenho



Taxa de Entrega Taxa de Entrega



Número de Mensagens de Controle Número de Mensagens de Controle



Energia Média Consumida Energia Média Consumida



Ambiente de Simulação Ambiente de Simulação



25, 50, 75 e 100 nós sensores estacionários 25, 50, 75 e 100 nós sensores estacionários e homogêneos

e homogêneos



Distribuídos uniformemente em um grid Distribuídos uniformemente em um grid com pontos espaçados de 10 metros.

com pontos espaçados de 10 metros.

(26)

Taxa de entrega de pacotes

(27)

Número de Mensagens de Número de Mensagens de

Controle

(28)

Energia Consumida

(29)

Trabalhos Futuros Trabalhos Futuros

 Sleep time relativo ao número de vizinhos Sleep time relativo ao número de vizinhos

 Predição de energia Predição de energia

 Ajuste da potência do sinal Ajuste da potência do sinal

 Qualidade do sinal Qualidade do sinal

(30)

Referências Referências

 I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayorci. I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayorci. “Wireless sensor “Wireless sensor networks: A survey”.

networks: A survey”. Computer Networks, 38:393-422, March 2002 Computer Networks, 38:393-422, March 2002

 A. A. Loureiro, J. M. Nogueira, L. B. Ruiz, R. A. Mini, E. F. Nakamura, C. M. Figueiredo. A. A. Loureiro, J. M. Nogueira, L. B. Ruiz, R. A. Mini, E. F. Nakamura, C. M. Figueiredo.

“Redes de Sensores”

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Computadores, Maio 2003

 L. B. Ruiz, J. M. Nogueira and A. A. Loureiro. L. B. Ruiz, J. M. Nogueira and A. A. Loureiro. “Manna: a management architecture “Manna: a management architecture for wireless sensor network”

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 S. Park, A. Savvides and M. B. Srivastava, "SimulatingS. Park, A. Savvides and M. B. Srivastava, "Simulating Networks of Wireless Networks of Wireless Sensors“

Sensors“ to appear in the proceedings of the 2001 Winter Simulation Conference to appear in the proceedings of the 2001 Winter Simulation Conference

 SensorSim: A Simulation Framework for Sensor Network. SensorSim: A Simulation Framework for Sensor Network.

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 WINS: Wireless Integrated Network Sensors. http://www.janet.ucla.edu/WINS/WINS: Wireless Integrated Network Sensors. http://www.janet.ucla.edu/WINS/ , , 20032003

 S. Cui, A. J. Goldsmith, and A. Bahai, “Modulation optimization under energy S. Cui, A. J. Goldsmith, and A. Bahai, “Modulation optimization under energy constraints” at Proceedings of ICC’03, Alaska, U.S.A, May, 2003.

constraints” at Proceedings of ICC’03, Alaska, U.S.A, May, 2003.

 S. Singh and C. Raghavendra, “Power efficient MAC protocol for multihop radio S. Singh and C. Raghavendra, “Power efficient MAC protocol for multihop radio networks,” in The Ninth IEEE International Symposium on Personal, Indoor and networks,” in The Ninth IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 1998, pp. 153–157.