TreeDC: Um Algoritmo de Coleta de dados Ciente da Energia
para Redes de Sensores sem Fio
∗Daniel L. Guidoni1
Orientadora: Raquel A. F. Mini1, Co-Orientador: Max do V. Machado2
1Departamento de Ciˆencia da Computac¸˜ao
Pontif´ıcia Universidade Cat´olica de Minas Gerais Av. Dom Jos´e Gaspar, 550 – 30.535-500 Belo Horizonte, MG daniellguidoni@yahoo.com.br, raquelmini@pucminas.br
2Departamento de Ciˆencia da Computac¸˜ao
Universidade Federal de Minas Gerais
Av. Antˆonio Carlos, 6627 – 30.123-970 Belo Horizonte, MG maxm@dcc.ufmg.br
Abstract. A Wireless Sensor Network (WSN) is a new kind of ad-hoc network and it is composed by small devices capable of accomplishing distributed sens-ing. Such devices possess small processing capacity, memory and mainly energy. Due to these specific characteristics, traditional distributed algorithms should be reviewed. In this work, we discuss the data collect problem in WSNs and present a new data collect protocol aware of the amount energy spent.
Resumo. Redes de Sensores sem Fio (RSSFs) s˜ao consideradas um novo tipo de redes ad hoc e s˜ao compostas por pequenos dispositivos computacionais capazes de realizar sensoriamento distribu´ıdo. Esses dispositivos possuem pe-quena capacidade de processamento, mem´oria e, principalmente, de energia. Devido essas novas caracter´ısticas espec´ıficas, algoritmos distribu´ıdos tradi-cionais devem ser revistos e re-projetados. O presente trabalho discute o pro-blema da coleta de dados em RSSFs e ´e apresentado um novo protocolo de coleta da dados ciente da energia consumida na rede.
1. Introduc¸˜ao
Durante os ´ultimos anos, grandes avanc¸os na tecnologia de circuitos integrados possi-bilitaram o surgimento de pequenos dispositivos com micro sensores de baixo custo que se comunicam atrav´es de uma interface sem fio. Esses dispositivos possuem baixa ca-pacidade de mem´oria, processamento e principalmente de energia. Uma rede composta por esses sensores ´e chamada de Rede de Sensores sem Fio (RSSF) [Estrin et al., 1999, Kahn et al., 1999] e essas revolucionar˜ao a captura e processamento de informac¸˜oes em v´arias situac¸˜oes. As RSSFs podem ser utilizadas em aplicac¸˜oes industriais, m´edicas, mi-litares, f´ısicas e em ecossistemas.
RSSFs, devido a restric¸˜ao de mem´oria, processamento e principalmente de en-ergia, possuem novos desafios na criac¸˜ao de algoritmos, protocolos de rede e software
Figura 1. Mapa de energia de uma rede de sensores sem fio.
no qual, qualquer desenvolvimento deve considerar os recursos do n´o. Em particular, em RSSFs, a energia gasta na transmiss˜ao de dados ´e trˆes ordens de grandeza maior comparado `a gasta no processamento de dados. Desse modo, qualquer soluc¸˜ao de comunicac¸˜ao para este tipo de rede, como o roteamento, deve ser eficiente de modo a gastar uma quantidade menor de energia, prolongando o tempo de vida da rede.
A comunicac¸˜ao de dados em RSSFs pode ser dividida em trˆes partes: disseminac¸˜ao que ´e a comunicac¸˜ao do n´o sink para os n´os sensores, coleta que ´e a comunicac¸˜ao dos n´os sensores para o n´o sink e colaborac¸˜ao que ´e a comunicac¸˜ao feita entre os n´os sensores. Em cada caso tem-se diferentes objetivos. A comunicac¸˜ao do n´o sink para um conjunto de n´os sensores ´e freq¨uentemente utilizada para disseminar informac¸˜ao que seja importante para esses n´os. Por exemplo, o sink pode disseminar uma novo interesse para rede, ou alterar o modo de operac¸˜ao de uma parte da rede ou da mesma como um todo. Este tipo de comunicac¸˜ao ´e chamada de disseminac¸˜ao de dados. A comunicac¸˜ao dos n´os sensores para o n´o sink ´e usada para enviar dados de eventos mo-nitorados. Finalmente, a comunicac¸˜ao feita entre os n´os vizinhos acontece quando algum tipo de cooperac¸˜ao ´e necess´aria entre os n´os e esse tipo de comunicac¸˜ao ´e chamada de cooperac¸˜ao. Neste trabalho, ser´a tratada a comunicac¸˜ao de dados dos n´os sensores ao n´o
sink ou seja, a coleta de dados.
Em RSSFs, a quantidade de energia restante em cada n´o pode ser representada pelo mapa de energia. O mapa de energia para RSSF pode ser representado por uma imagem em tons de cinza, como ilustrado na Figura 1. As ´areas com tons de cinza escuro representam partes da rede que possuem pouca energia restante. As ´areas mais claras contˆem n´os com grande quantidade de energia. Com uma an´alise deste mapa, ´e poss´ıvel identificar partes da rede, onde falhas podem ocorrer devido `a falta de energia [Zhao et al., 2002]. O conhecimento das ´areas com pouca quantidade de energia ´e ´util em muitas atividades em RSSFs como roteamento, reconfigurac¸˜ao, fus˜ao de dados e algorit-mos de gerenciamento de rede. Um ponto importante ´e que o mapa de energia ´e ´util para prolongar o tempo de vida da rede. Em [Mini et al., 2004], ´e apresentado uma abordagem baseada em predic¸˜ao para construir o mapa de energia para redes de sensores sem fio e que ser´a utilizado neste trabalho.
V´arios algoritmos distribu´ıdos tˆem sido propostos. Em [Deb et al., 2002], ´e pro-posto o TopDisc, um algoritmo de descobrimento da topologia em redes de sensores. A topologia ´e um importante modelo de estados da rede que implicitamente fornece informac¸˜ao sobre seus n´os ativos e o mapa de conectividade. A topologia de rede pode
ajudar na administrac¸˜ao da mesma e na an´alise de seu desempenho. Para qualquer rede, o conhecimento preciso da sua topologia ´e uma condic¸˜ao pr´evia para tarefas adminis-trativas [Deb et al., 2002] como: fus˜ao de dados e roteamento. O TopDisc tem como resultado a criac¸˜ao de uma ´arvore topol´ogica da rede (TreC). Essa ´arvore ´e criada com a menor quantidade de n´os poss´ıveis que abrange o maior espac¸o f´ısico da rede.
Neste trabalho, um novo algoritmo de roteamento baseado no TopDisc, mapa de energia e classe de n´os ´e proposto. Os n´os s˜ao divididos em classes de consumo conforme suas respectivas func¸˜oes na rede que podem ser sensorear e rotear. As classes de n´os e o mapa de energia s˜ao inseridos no algoritmo original do TopDisc, formando o TreeDC (Tree Data Collection) para que a escolha dos n´os que participam da ´arvore topol´ogica seja feita levando-se em considerac¸˜ao a quantidade de energia do n´o. Com essas novas caracter´ısticas, o TreeDC cria uma ´arvore topol´ogica com os melhores n´os em relac¸˜ao `a quantidade de energia local da rede, proporcionando um roteamento ciente da energia consumida e ao mesmo tempo economizando energia, j´a que os n´os que ir˜ao rotear os pacotes s˜ao os n´os pertencentes `a classe roteadora, ou seja, os n´os da ´arvore topol´ogica.
Este trabalho est´a organizado da seguinte maneira. Na sec¸˜ao 2 ser˜ao mostrados alguns trabalhos relacionados. A sec¸˜ao 3 mostra o conceito de classes de n´os, quais classes ser˜ao utilizadas neste trabalho, seu funcionamento e ser´a descrito o protocolo de coleta de dados TreeDC. Os resultados obtidos com a utilizac¸˜ao deste protocolo ser´a mostrado na sec¸˜ao 4. Na sec¸˜ao 5 ser˜ao discutidas as conclus˜oes obtidas e as direc¸˜oes futuras deste trabalho.
2. Trabalhos Relacionados
Nesta sec¸˜ao ser´a brevemente discutido o roteamento em RSSFs e construc¸˜ao da mapa de energia.
2.1. Roteamento em RSSF
V´arios protocolos de roteamento foram e est˜ao sendo propostos para RSSFs [Akyildiz et al., 2002]. Devido `a natureza das RSSFs, os requerimentos b´asicos para a t´ecnica de roteamento ´e escalabilidade e robustez para a coleta de dados. Os algoritmos para este ambiente s˜ao projetados para estender o tempo de vida da rede, conseq¨uente-mente, provendo um mecanismo de comunicac¸˜ao robusto e consumo de energia eficiente. Algumas das t´ecnicas existentes para comunicac¸˜ao em RSSF s˜ao mostradas a seguir.
O algoritmo mais simples para o roteamento de informac¸˜oes ´e o flooding. A id´eia b´asica desse algoritmo ´e a inundac¸˜ao da rede com os pacotes de roteamento. Quando um n´o recebe um pacote, ele o envia para todos os seus vizinhos, at´e que em um determinado momento, o pacote chega ao destino. O problema desse algoritmo ´e a quantidade de pacotes transmitidos desnecessariamente. Por outro lado, o algoritmo encontra o menor caminho da origem ao destino, pois explora todas as poss´ıveis possibilidades.
Em [Intanagonwiwat et al., 2000] ´e proposto o Direct Diffusion, um novo paradigma para a comunicac¸˜ao entre os n´os sensores. O objetivo deste protocolo ´e es-tabelecer uma comunicac¸˜ao eficiente entre os n´os sensores e o sink. O modelo proposto introduz dois conceitos. O primeiro ´e o data-centric em que os dados gerados pelos sen-sores s˜ao identificados por um par de valor atributo. Neste caso, o sink requisita um determinado dado para rede enviando a identificac¸˜ao do par valor atributo desejado. Este
processo ´e chamado envio de interesse. O outro conceito ´e denominado data-aggregation no qual os n´os intermedi´arios procuram agregar os eventos recebidos em um ´unico evento com o objetivo de reduzir o n´umero de transmiss˜oes realizadas e a quantidade de dados armazenada pela rede.
Em [Heinzelman et al., 2000], [Heinzelman, 2000], foi proposto outro paradigma para construc¸˜ao de algoritmos distribu´ıdos, o LEACH (Low-Energy
Adapta-tive Clustering Hierarchy). O protocolo LEACH tem por objetivo reduzir o consumo de
energia. O protocolo foi desenvolvido para redes hier´arquicas e utiliza ciclos durante os quais s˜ao formados agrupamentos de n´os, denominados clusters, onde um n´o ´e escolhido como l´ıder. O l´ıder do cluster ´e respons´avel por repassar os dados do seu cluster para a estac¸˜ao base com um ´unico hop, o que limita o tamanho da rede em func¸˜ao do raio de alcance do r´adio.
2.2. Mapa de Energia
Quando se coleta informac¸˜oes de energia da rede, obt´em-se o mapa de energia. O mapa de energia fornece a informac¸˜ao sobre a quantidade de energia dispon´ıvel em cada parte da rede. A energia ´e o principal recurso num n´o sensor, todos os outros recursos dependem da energia, como processador, dispositivo de sensoriamento e r´adio. A utilizac¸˜ao do mapa pode indicar quais regi˜oes da rede est˜ao prestes a falhar, ajudando a determinar ´areas onde podem ser feitas novas deposic¸˜oes de sensores.
O mapa de energia utilizado para este trabalho ´e baseado em t´ecnicas de predic¸˜ao [Mini et al., 2003, Mini et al., 2004], no qual cada n´o calcula um modelo de consumo que procura representar o comportamento do seu gasto de energia futuro. A sua quantidade de energia, juntamente com o seu modelo de consumo, ´e enviado ao n´o sink, que por sua vez ir´a montar o mapa de energia da regi˜ao. Desta forma, o n´o somente reenviar´a os dados, se o modelo de consumo de energia n˜ao mais representar o seu real consumo. Com isso, os n´os enviar˜ao uma quantidade menor de pacotes, o que representa uma diminuic¸˜ao na energia gasta com a criac¸˜ao do mapa e, conseq¨uentemente, um aumento no tempo de vida da rede.
3. TreeDC
Em [Deb et al., 2002], ´e descrito um algoritmo de descoberta de topologia (TopDisc) para RSSFs. TopDisc seleciona um conjunto de n´os distintos, e constr´oi um mapa de conectividade baseado nas informac¸˜oes dos n´os. O TopDisc organiza a rede logicamente na forma de agrupamentos e forma uma ´arvore de agrupamentos (TreC) com raiz no n´o
sink. O TopDisc ´e completamente distribu´ıdo e utiliza apenas a informac¸˜ao local dos n´os
sensores.
No processo de criac¸˜ao da TreC, considera-se trˆes tipos de n´os na rede:
• Branco: n´os que ainda n˜ao receberam nenhum pacote de descobrimento de
topologia.
• Preto: n´o l´ıder de um cluster, que transmite o pacote de solicitac¸˜ao de
descobri-mento de topologia aos seus n´os vizinhos.
• Cinza: n´o que recebeu um pacote de descobrimento de topologia de algum n´o
O processo de criac¸˜ao desta ´arvore pode ser descrito da seguinte forma:
• O n´o que inicia a solicitac¸˜ao de descobrimento de topologia torna-se um n´o preto
e replica o pacote de solicitac¸˜ao de descobrimento de topologia.
• Todos os n´os brancos tornam-se n´os cinza quando eles recebem um pacote de um
n´o preto. Cada n´o cinza replica a solicitac¸˜ao para todos os seus vizinhos ap´os um tempo aleat´orio inversamente proporcional a sua distˆancia ao n´o preto que enviou o pacote de solicitac¸˜ao.
• Quando um n´o branco recebe um pacote de um n´o cinza ele se torna preto com
um tempo aleat´orio. Neste mesmo tempo, se ele recebe algum pacote de outro n´o preto, ele se torna um n´o cinza. Novamente o tempo aleat´orio ´e inversamente proporcional `a distˆancia do n´o que recebeu a solicitac¸˜ao do n´o que enviou.
• Uma vez cinzas ou pretos, os n´os ignoram qualquer outro pacote de solicitac¸˜ao de
descobrimento de topologia.
Durante a criac¸˜ao da ´arvore, considera-se um raio virtual para a comunicac¸˜ao entre os n´os. Esse raio ´e usado logicamente apenas para a criac¸˜ao da ´arvore. O tamanho do raio virtual utilizado neste trabalho ´e metade do raio normal de comunicac¸˜ao do n´o. Isso ´e feito para obter-se dois n´os pretos vizinhos, podendo assim ter conectividade de comunicac¸˜ao entre n´os pretos.
(a) Etapa 1. (b) Etapa 2.
(c) Etapa 3. (d) Etapa 4.
Figura 2. Criac¸ ˜ao da ´arvore topol ´ogica (R = raio, vR = raio virtual e maxD = maior dist ˆancia e aresta = conex ˜ao entre n ´os pretos ).
A figura 2 exemplifica em quatro etapas como ´arvore topol´ogica ´e criada. A figura 2a ilustra a etapa 1. Nesta etapa, comec¸a o descobrimento da ´arvore topol´ogica. O n´o que comec¸a o descobrimento torna-se um n´o preto e transmite o pacote de desco-brimento para seus vizinhos dentro do raio virtual. Na figura 2b, pode-se observar que todos os n´os brancos (n´os ainda n˜ao descobertos por nenhum pacote de descobrimento de topologia) dentro do raio virtual tornaram-se n´os cinzas, pois receberam um pacote de descobrimento de topologia de um n´o preto. Na etapa 3, observada na figura 2c, de acordo com um tempo aleat´orio e inversamente proporcional a distˆancia (quanto maior a distˆancia, menor o tempo) do n´o que enviou o pacote de solicitac¸˜ao, o n´o replica o pacote de descobrimento de topologia para todos seus vizinhos dentro do raio virtual. A ´ultima etapa pode ser observada na figura 2d. O n´o que recebeu o pacote de descobrimento de um n´o cinza torna-se preto de acordo com um tempo aleat´orio e inversamente propor-cional a distˆancia ao n´o que enviou o pacote. Assim, pode-se perceber nessa figura que um novo n´o preto foi descoberto. Se um n´o marcado para tornar-se preto receber um pacote de descobrimento de algum n´o preto, este torna-se cinza, o que tamb´em pode ser observado nessa figura juntamente com a conectividade entre os n´os pretos. Esses passos descritos s˜ao executados para todos os n´os da rede, criando a ´arvore topol´ogica da mesma utilizando apenas informac¸˜oes locais dos n´os.
Desta forma, os n´os pretos s˜ao os n´os que ir˜ao participar da TreC (´arvore de rotea-mento). O raio utilizado no roteamento ´e o raio normal do n´o e n˜ao mais o raio virtual utilizado na criac¸˜ao da ´arvore. Com esse algoritmo, pode-se afirmar que essa ´arvore ter´a a menor quantidade de n´os conseguindo abranger o maior espac¸o f´ısico da rede.
´
E importante perceber que o TopDisc tenta criar a ´arvore topol´ogica com uma maior abrangˆencia de n´os poss´ıveis na rede. Pode acontecer casos espec´ıficos nos quais, n´os isolados sem vizinhos pr´oximos n˜ao fac¸am parte da abrangˆencia da ´arvore topol´ogica. O objetivo deste trabalho ´e a criac¸˜ao de um novo protocolo de coleta de dados em RSSFs. Foram inseridos dois novos conceitos no algoritmo do TopDisc para criar o TreeDC: mapa de energia e classe de n´os. O mapa de energia foi utilizado na construc¸˜ao da ´arvore topol´ogica, ocasionando um crit´erio de escolha dos n´os desta ´arvore. Este crit´erio ´e a quantidade de energia restante que o n´o possui. Com esse crit´erio, o TreeDC seleciona os melhores n´os locais da rede. Com essa mudanc¸a, ´e poss´ıvel garantir que o roteamento de informac¸˜oes na rede seja feito pela rota que possui a maior quantidade de energia dispon´ıvel. O n´o sink, de posse do mapa de energia da rede, pode fazer inferˆencia para descobrir se algum n´o roteador est´a com pouca energia e prestes `a morrer, ou se em um futuro pr´oximo, este ficar´a sem energia. Assim quando for disparada uma nova recriac¸˜ao da ´arvore de roteamento, ´e passado um limiar de energia (calculado a partir do mapa de energia) para que somente n´os com quantidade superior ao limiar possam participar da nova ´arvore.
A introduc¸˜ao do conceito de classe de n´os no algoritmo original do TopDisc pro-porciona uma economia de energia, j´a que os n´os s˜ao divididos por func¸˜oes: sensorear e rotear. Assim, o algoritmo utiliza duas classes de n´os distintas, classe sensoreadora e classe roteadora. Os n´os pertencentes `a classe roteadora tˆem func¸˜ao apenas de rotear pa-cotes, sejam estes recebidos de um n´o da classe sensoreadora ou roteadora. Os n´os que fazem parte desta classe s˜ao os n´os pertencentes a ´arvore de roteamento. Os modelos de funcionamento dos n´os das classes definidas s˜ao baseados no modelo de estados do
SEDM (State-based Energy Dissipation Model) descrito em [Mini, 2004] que possui 6 modos de operac¸˜ao: modo 1 (sensor desligado, r´adio desligado), modo 2 (sensor ligado, r´adio desligado), modo 3 (sensor desligado, r´adio recebendo), modo 4 (sensor ligado, r´adio recebendo), modo 5 ( sensor desligado, r´adio transmitindo) e modo 6 (sensor ligado e r´adio transmitindo).
Os n´os roteadores possuem a func¸˜ao de rotear os pacotes na rede. Os n´os perten-centes a essa classe possui 2 modos de operac¸˜ao: modo 3 e modo 5. O n´o comec¸a no modo 3 e quando algum pacote ´e recebido, o n´o muda seu estado para o modo 5 e trans-mite o pacote para o seu n´o pai na ´arvore de roteamento. Logo ap´os essa transmiss˜ao, o n´o volta para o modo 3 e fica a espera de novos pacotes.
Os n´os que pertencem `a classe sensoreadora tˆem func¸˜ao apenas de sensorear e transmitir a informac¸˜ao de sensoriamento para algum n´o roteador. O TopDisc tenta garan-tir que no raio de comunicac¸˜ao de qualquer n´o ter´a um n´o da ´arvore de roteamento. Com isso, todos os pacotes s˜ao roteados at´e o n´o sink. Os n´os pertencentes a essa classe possui 3 modos de operac¸˜ao: modo 1, modo 2 e modo 4 e, de acordo com uma certa probabili-dade e eventos acontecendo na rede o n´o transita entre os modos 1, 2 e 4. Se n˜ao houver evento na rede, o n´o ir´a dormir segundo uma certa probabilidade. Ap´os um time-sleeping, o n´o volta para o modo 2. Quando algum evento ´e sensoreado, o n´o muda seu modo para 4 e, segundo uma certa probabilidade transmite o pacote com as informac¸˜oes. Ap´os a transmiss˜ao o n´o volta para o modo 2.
O funcionamento deste protocolo pode ser descrito da seguinte maneira:
• Inicialmente, todos os n´os da rede pertencem `a classe roteadora.
• O sink dissemina na rede um pacote contendo informac¸˜oes da descoberta de
topologia e um limiar de energia que define quem poder´a participar da ´arvore de roteamento.
• O algoritmo TreeDC escolhe entre os n´os da rede os melhores em relac¸˜ao `a energia
para compor a ´arvore de roteamento.
• Todos os n´os que n˜ao participam da ´arvore de roteamento s˜ao alterados
dinamica-mente para classe sensoreadora.
Estas etapas podem ser executadas no in´ıcio ou em qualquer momento da simulac¸˜ao. Se o n´o sink, com o mapa de energia, percebe que n´os da ´arvore de roteamento est˜ao preste a falhar, este dissemina informac¸˜oes na rede para que estas etapas possam ser refeitas, escolhendo assim novos n´os para participarem da nova ´arvore de roteamento. A execuc¸˜ao destas etapas durante a simulac¸˜ao da rede gera o problema de sincronizac¸˜ao. Os n´os da rede de alguma forma teriam que estar sincronizados para que no instante de tempo que a ´arvore de roteamento fosse criada, todos os n´os da rede estariam funcionando como roteador. Esse tema ser´a tratado na sec¸˜ao 5. Assim, a recriac¸˜ao da ´arvore de roteamento ser´a tratada de forma est´atica. Todos os n´os saber˜ao previamente em que instante eles ter˜ao que se sincronizar para a recriac¸˜ao da ´arvore.
4. Resultados de Simulac¸˜ao
Nesta sec¸˜ao ser´a mostrado os resultados da coleta de dados utilizando o TreeDC. Ser´a comparado a coleta de dados do algoritmo TreeDC e do algoritmo flooding. Para analisar o desempenho da coleta de dados, os dois algoritmos foram implementados no simulador
ns-2 [ns2, 2002]. Na pr´oxima sec¸˜ao, ser´a mostrado o cen´ario utilizado nas simulac¸˜oes. Na sec¸˜ao 4.2, poder´a ser visto os resultados de simulac¸˜ao dos algoritmos implementados.
4.1. Cen´ario
Neste trabalho, foi considerado uma rede de sensores com n´os est´aticos e homogˆeneos, e a n˜ao reposic¸˜ao de bateria. Existe um n´o est´atico com quantidade de energia ilimitada, localizado na parte inferior do lado direito da ´area de deposic¸˜ao dos n´os e chamado de n´o
sink. Os n´os s˜ao depositados aleatoriamente, formando uma rede com topologia de alta
densidade. Eventos s˜ao est´atico e sua durac¸˜ao, raio e posic¸˜ao s˜ao criados aleatoriamente. Todos os eventos sensoreados na rede s˜ao roteados ao n´o sink.
A rede simulada possui 500 n´os, cada n´o possui uma energia inicial de 40 J e raio de comunicac¸˜ao de 10m. A topologia da rede possui 50x50m. Essas vari´aveis s˜ao utilizadas em todas as simulac¸˜oes. Neste cen´ario, cada n´o tem uma m´edia de 52 vizin-hos. Durante a simulac¸˜ao, esse n´umero poder´a ser reduzido pois alguns de seus vizinhos poder´a entrar no estado de dormˆencia. Os resultados de todas as simulac¸˜oes foram obti-dos atrav´es da m´edia de 33 simulac¸˜oes, onde cada simulac¸˜ao possui 1000 segunobti-dos. A obtenc¸˜ao do mapa de energia ´e feita utilizando-se o modelo baseado em predic¸˜ao proposto em [Mini et al., 2003, Mini et al., 2004].
4.2. Resultados de Simulac¸˜ao
Como mostrado na sec¸˜ao 3, o protocolo de roteamento TreeDC utiliza o conceito de classes de n´os. Sabe-se que o consumo dos n´os pertencentes a estas classes s˜ao difer-entes. Isso ocorre pois cada classe de n´o possui diferentes modos de funcionamento. A figura 3a mostra a comparac¸˜ao do consumo de energia entre as classes de n´os definidas. Nesta figura, apenas uma ´arvore de roteamento ´e criada no inicio da simulac¸˜ao. Pode-se obPode-servar que o consumo de energia dos n´os pertencentes `a clasPode-se roteadora ´e muito maior comparado ao consumo dos n´os da classe sensoreadora, pois aqueles ficam com seu r´adio ligado todo o tempo de simulac¸˜ao. Este gr´afico mostra tamb´em um problema de se construir apenas uma ´arvore durante a simulac¸˜ao. Os n´os pertencentes `a ´arvore de roteamento gastam mais energia, com isso, durante a simulac¸˜ao alguns desses n´os podem ficar sem energia, ocasionando uma ausˆencia do roteamento dos pacotes na rede ou em partes da rede. Sabe-se que os primeiros n´os da ´arvore (os n´os mais pr´oximos do sink) gastar˜ao mais energia, pois ter˜ao que retransmitir mais pacotes. Se estes n´os ficarem sem energia todo o roteamento da rede ficar´a comprometido.
Com o objetivo de prolongar o tempo de vida do roteamento, o algoritmo do TreeDC executa recriac¸˜oes da ´arvore de roteamento durante a simulac¸˜ao. Nas figuras 3b e 3c, pode-se observar o consumo de energia das classes quando ocorre recriac¸˜ao da ´arvore de roteamento. Quando uma recriac¸˜ao ´e executada, somente n´os acima de um limiar de energia s˜ao escolhidos para participarem da nova ´arvore de energia. Este limiar ´e um parˆametro passado pelo sink aos n´os na criac¸˜ao da ´arvore. Assim, a ´arvore de roteamento ter´a n´os renovados com relac¸˜ao a energia, prolongando o tempo de vida do roteamento na rede.
As figuras 4a e 4b mostram a comparac¸˜ao do consumo de energia e a quantidade de pacotes transmitidos entre o TreeDC e flooding. Pode-se observar na figura 4b que o
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Média da energia (J) Tempo (s) Classe Sensoreadora Classe Roteadra
(a) Uma criac¸˜ao da ´arvore de roteamento.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Média da energia (J) Tempo (s) Classe Sensoreadora Classe Roteadra
(b) Duas criac¸˜oes da ´arvore de roteamento.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Média da energia (J) Tempo (s) Classe Sensoreadora Classe Roteadra
(c) Trˆes criac¸˜oes da ´arvore de roteamento.
Figura 3. Comparac¸ ˜ao do consumo m ´edio de energia entre as classe de n ´os.
Este bom resultado do TreeDC observado na figura 4b se deve ao fato da ´arvore de roteamento ser constru´ıda com o objetivo de se obter a menor quantidade de n´os abrangendo o maior espac¸o f´ısico da rede. Por outro lado, o flooding faz uma inundac¸˜ao de pacotes na rede, tendo v´arias transmiss˜oes desnecess´arias. Um problema do TreeDC ´e que quanto mais ´arvores de roteamento s˜ao criadas mais eventos s˜ao perdidos. Isso se deve ao fato de que a criac¸˜ao da ´arvore consome 3 segundos, e se dentro destes 3 segundos ocorrer alguma evento, este ser´a perdido.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Média da energia (J) Tempo (s) flooding 1 Criação 2 Criações 3 Criações
(a) Comparac¸˜ao entre o consumo m´edio da energia. 0 20000 40000 60000 80000 100000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Pacotes Transmitidos Tempo (s) flodding 1 criação 2 criação 3 criação
(b) Comparac¸˜ao entre o n´umero m´edio de pa-cotes transmitidos.
Figura 4. Comparac¸ ˜ao entre o TreeDC e flooding.
Com relac¸˜ao ao consumo m´edio de energia o TreeDC tamb´em obteve o melhor re-sultado. Na figura 4a pode ser observado este bom desempenho. O motivo principal deste
bom desempenho ´e devido a utilizac¸˜ao de classes de n´os pelo TreeDC. Com a utilizac¸˜ao dessas classes, poucos n´os consomem muita energia (n´os roteadores) e muitos n´os con-somem pouca energia. Outro motivo por esse desempenho ´e que o TreeDC transmite menos pacotes no roteamento, conseq¨uentemente consome menos energia.
Se durante as simulac¸˜oes da rede, os conflitos de pacotes fossem levados em considerac¸˜ao, a diferenc¸a do consumo de energia e at´e mesmo o n´umero de pacotes trans-mitidos entre os dois algoritmos seria ainda mais favor´avel ao TreeDC, pois, devido a inundac¸˜ao de pacotes feita pelo flooding, o n´umero de conflitos e re-transmiss˜oes seria alto, consumindo uma quantidade ainda maior de energia.
5. Conclus˜oes e Direc¸˜oes Futuras
Neste trabalho, foi proposto o TreeDC, um novo algoritmo para coleta de dados em RSSFs. A id´eia principal deste algoritmo ´e a combinac¸˜ao do conceito de classes de n´os e mapa de energia com a ´arvore topol´ogica da rede. Como discutido na sec¸˜ao anterior, esta combinac¸˜ao mostrou-se bastante eficiente.
A comparac¸˜ao feita entre os dois algoritmos de roteamento mostrou que o TreeDC possui melhores resultados com relac¸˜ao ao consumo de energia e pacotes transmitidos. Como o objetivo principal de um protocolo de roteamento ´e a economia de energia, o TreeDC mostrou-se bastante eficiente. Os resultados de simulac¸˜ao mostraram que o TreeDC chega a consumir menos da metade da energia com relac¸˜ao ao flooding. Com relac¸˜ao a quantidade de pacotes transmitidos, o TreeDC tamb´em mostrou-se bastante efi-ciente, transmitindo aproximadamente101 dos pacotes em relac¸˜ao ao flooding para efetuar o roteamento de informac¸˜oes na rede. Uma vantagem da utilizac¸˜ao do flooding, ´e que a taxa de entrega dos pacotes ´e muito alta. O TreeDC foi projetado com o mesmo objetivo e tamb´em possui uma alta taxa de entrega dos pacotes j´a que a ´arvore de roteamento n˜ao possui falhas em sua construc¸˜ao.
O trabalho apresentado pode ser estendido em v´arias direc¸˜oes. A primeira direc¸˜ao ´e definir qual ser´a o melhor tempo para recriar a ´arvore de roteamento. O TreeDC atual recria a ´arvore em intervalos de tempo pr´e-definidos, o que n˜ao ´e uma boa soluc¸˜ao, pois a recriac¸˜ao da ´arvore de roteamento pode estar sendo desnecess´aria, os n´os pertencentes a antiga ´arvore podem possuir uma quantidade consider´avel de energia para continuar trabalhando como roteador. Assim, a recriac¸˜ao da ´arvore deve ser iniciada somente no instante em que o sink perceber que algum n´o da ´arvore de roteamento est´a prestes a falhar. O grande problema desta direc¸˜ao futura ´e o sincronismo dos n´os da rede. O
sink de alguma forma deve disseminar a informac¸˜ao da recriac¸˜ao da ´arvore antes dessa
acontecer, para que os n´os da rede possam estar sincronizados durante a recriac¸˜ao. Uma segunda direc¸˜ao futura ´e que o atual algoritmo de roteamento TreeDC apenas executa o roteamento de informac¸˜oes na direc¸˜ao do n´o sensor para o sink. Neste caso o TreeDC deve ser capaz de realizar o roteamento de informac¸˜oes na direc¸˜ao do sink para os n´os sensores que ´e a disseminac¸˜ao de dados. O que nos leva a direc¸˜ao futura abordada anteriormente.
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