Redes de Sensores. Gustavo Neves Dias COS762 28/11/2005

Redes de Sensores

Motivação

z

Sensores

z Dispositivos que permitem obter informações

sobre um fenômeno: Temperatura, Nível, Pressão, Localização, entre outros.

z

Redes de Sensores

z Composta de um grande Número de Sensores

densamente espalhados dentro ou próximo ao

Motivação

z

Redes de Sensores

z Desempenham um trabalho cooperativo com

o objetivo de obter tais informações.

z Algumas Características

z Capacidade de Auto-Organização.

z Esforço Cooperativo.

z Podem ser: Estruturadas ou Não.

Motivação

z

Redes de Comunicação Sem Fio

z Estruturada vs Não-Estruturada

Rede infra-estruturada

Rede não-estruturada

Motivação

z

Avanços na

eletrônica

e em

comunicação

Motivação

z

Diversidade de áreas de aplicação:

z Segurança, Saúde, Residencial, Ambiental,

Arquitetura de Comunicação

z

Estabelecimento da Rede de Sensores

(a) Região de interesse (b) Lançamento dos sensores

(c) Despertar dos sensores (d) Organização dos sensores

Arquitetura de Comunicação

z

Fatores que influenciam um projeto:

Arquitetura de Comunicação

z

Tolerância a Falhas

z Habilidade de manter as funcionalidades da

rede sem qualquer interrupção havendo falha em alguns sensores.

z Podem ocorrer falhas por danos físicos, falta

de energia, interferência do ambiente e outros.

z Confiabilidade é modelada em [2] usando uma

dist. Poisson para capturar a prob. de NÃO ter uma falha dentro de um intervalo (0,t):

Arquitetura de Comunicação

z

Escalabilidade

z Dezenas, centenas ou milhares de sensores

podem ser empregados no estudo de um fenômeno.

z Pode-se expressar a Densidade da Rede, μ(R),

em termos do No. de sensores por área de cobertura nominal [3].

onde N é o No_{. de sensores}

espalhados na região A, e R é o

Arquitetura de Comunicação

z

Custo de Fabricação

z O custo dos sensores influencia diretamente o

custo total da rede.

z O custo de um sensor deve ser muito menor

Arquitetura de Comunicação

z

Limitações de Hardware

z Componentes de um Sensor: Fonte: [1] Unidade de Energia Proc. Memória Sensor ADC Unidade

Sensitiva ProcessamentoUnidade

Unidade TX/RX

Sistema

de Localização de MovimentaçãoSistema

Arquitetura de Comunicação

z

Topologia da Rede

z Relacionado com a manutenção e mudança da

topologia em 3 fases:

z Fase de Pré-posicionamento e Fase de

Posicionamento

z Pós-posicionamento

Arquitetura de Comunicação

z

Meios de Transmissão

z Rádio Freqüência (RF)

z Sensor sem fio μAMPS em [4] usa um TX/RX

de 2.4 GHz compatível com Bluetooth.

z Arquitetura WINS [5] - Redes de Sensores

Integrada Sem Fio (Wireless Integrated Network Sensors)

z Infravermelho (Infrared)

z TX/RX são baratos e fáceis de construir.

Arquitetura de Comunicação

z

Consumo de Energia

z Fonte de energia limitada: 0,5 a 1,2V.

z Fontes de renovação de energia podem não

ser disponíveis.

z Tempo de Vida do Sensor está diretamente

ligado ao Tempo de Vida da Bateria.

z Pode ser dividido em 3 domínios:

z Ação de sentir o fenômeno (“sensing”)

z Comunicação / Roteamento de Dados

Pilha de Protocolos

z

Camada Física

z Responsável pela Seleção da Freqüência,

Geração de Portadora, Detecção de Sinal, Modulação e Codificação de dados.

z É sugerido o uso da banda ISM de 915 MHz.

z Eficiência em Energia

z Efeitos da Propagação do Sinal

z Esquemas de Modulação

ƒ Binário ou M-ário; sendo Binário o mais

Pilha de Protocolos

z

Camada Física

z Assuntos Abertos a Pesquisa

z Esquemas de Modulação: simples e com

baixo consumo energia, podendo ser usado com banda base, como o UWB [7], ou

passband.

z Estratégias para superar os efeitos de

propagação de sinal.

z Projeto de Hardware: muito pequeno, baixo

consumo energia, unidades de TX/RX,

Pilha de Protocolos

z

Camada de Enlace

z Responsável por multiplexação de streams de

dados, acesso ao meio e controle de erro.

z Assegura conexões ponto-a-ponto e

multi-pontos confiáveis.

z Controle de Acesso ao Meio

z Protocolos MAC precisam alcançar:

ƒ Habilidade de Auto-Organização.

Pilha de Protocolos

“Ouvir” constantemente para eficiência de energia. Adaptação ao nível de aplicação e atraso aleatório da transmissão. Acesso aleatório baseado em contenção. CSMA-based [9] Aproximação baseada em Hardware para sistema de minimização de energia. Calculado o número

ótimo de canais para sistema de consumo mínimo de energia Centrado em divisão de freqüência e tempo. Hybrid TDMA/FDMA [4]

“wake up” aleatório durante a configuração e desliga o TX/RX enquanto ocioso. Explora a grande largura de banda disponível comparado

Pilha de Protocolos

z

Camada de Enlace

z Modos de Operação de Economia de Energia

z Esquema de Gerenciamento Dinâmico de

Energia é discutido em [10] e 5 modos de economia de energia são propostos e

políticas de transição são investigadas.

Pilha de Protocolos

z

Camada de Enlace

z Controle de Erro

z 2 importantes modos de controle de erro

ƒ Pedido de Retransmissão Automática

(ARQ - Automatic Repeat reQuest)

ƒ Correção de Erro no Envio

Pilha de Protocolos

z

Camada de Enlace

z Assuntos Abertos a Pesquisa

z MAC para redes de sensores móveis.

z Determinação do limite inferior de energia

requerida para a auto-organização da rede de sensores.

z Esquemas de codificação para Controle de

Erro.

z Modos de Operação de Economia de

Pilha de Protocolos

z

Camada de Rede

z Responsável pelo Roteamento dos Dados.

z Projetada a partir dos seguintes princípios:

z Eficiência em Energia, sempre importante.

z Geralmente, Roteamento Centrado em Dados.

z Agregação de Dados.

z Atributos baseados em rótulos e localização.

z Fornece comunicação externa com:

z Outras Redes de Sensores; Sistemas de

Pilha de Protocolos

z

Camada de Rede

z Rotas Eficientes em Energia podem ser

encontradas com base:

z Energia Disponível (PA – Power Available). z Energia Requerida para Transmissão (α).

z Estratégias de Escolha de Rota

z Rota com Máxima PA.

z Rota consome o Mínimo de α.

z Rota com Mínimo de Saltos.

Pilha de Protocolos

z Rotas Possíveis Entre o Depósito de Dados (DD) e o nó T: → Rota 1: DD – A – B – T PA Total = 4, α Total = 3 → Rota 2: DD – A – B – C – T PA Total = 6, α Total = 6 → Rota 3: DD – D – T PA Total = 3, α Total = 4 → Rota 4: DD – E – F – T PA Total = 5, α Total = 6 Fonte: [1] A (PA = 2) B (PA = 2) D (PA = 3) C (PA = 2) F (PA = 4) E (PA = 1) Depósito de Dados T α₁ = 1 α₂ = 1 α₈ = 2 _α 7 = 1 α₉ = 2 α₅ = 2 α₄ = 2 α₁₀ = 2 α₆ = 2 α₃ = 2 Rota com Máxima PA Rota consome

o Mínimo de Rota com α

Pilha de Protocolos

z

Camada de Rede

z Roteamento Centrado em Dados

z Requer Atributos baseados em rótulos.

z Baseado na difusão de interesses.

ƒ Depósito de Dados envia um Broadcast

com o interesse; ou

ƒ Os sensores anunciam que possuem

Pilha de Protocolos

z

Camada de Rede

z Agregação de Dados: Idéia de uma Árvore

Multicast Reversa

Depósito de Dados I - DD envia uma “pergunta”

a respeito das condições do ambiente do fenômeno.

II - Os sensores respondem com a informação, roteando através de outros sensores.

III – Os dados são AGREGADOS quando a mesma informação

proveniente de múltiplos sensores alcançam um mesmo sensores no caminho de volta ao

Depósito de Dados.

No Exemplo:

E agrega dados de A e B; F agrega dados de C e D; e

Pilha de Protocolos

z

Camada de Rede

z Comunicação com Redes Externas

z Pode usar o Depósito de Dados como

gateway para outras redes; ou

z Pode criar um Backbone com vários

Depósitos de Dados e conectar o Backbone

Pilha de Protocolos

z

Camada de Rede

Centrado em Dados Envia dados para os sensores apenas se

eles estiverem interessados. Tem três tipos de mensagens: ADV, REQ e DATA.

SPIN [13]

Aleatório Envia dados para um vizinho selecionado

aleatoriamente.

Gossiping [12]

Broadcast Envia dados em broadcast para todos os

nós vizinhos, sem levar em consideração se eles já receberam ou não.

Flooding

Eficiência de Energia Cria um subgrafo da Rede de Sensores que

contém o caminho de mínima energia.

Pilha de Protocolos

Estratégia de Roteamento Descrição Esquema da Camada de Rede Centrado em Dados Configura um grau de interesse para os

dados, do fluxo da fonte para o Depósito de Dados, durante a difusão do interesse. Directed diffusion

[15]

Eficiência em Energia Forma clusters para minimizar o desperdício

de energia. LEACH [14] Eficiência em Energia e Métricas de QoS Cria múltiplas árvores onde a raiz de cada

árvore é um sensor vizinho do Depósito de Dados com apenas um salto. A seleção de

uma árvore para enviar os dados ao Depósito de Dados é feita de acordo com os

Recursos de Energia e Métricas de QoS aditivas.

SAR [8]

z

Camada de Rede

Pilha de Protocolos

z

Camada de Rede

z Assuntos Abertos a Pesquisa

z Melhorias para os protocolos citados ou

desenvolvimento de novos protocolos que possam lidar em um ambiente com grandes mudanças na topologia e alta

Pilha de Protocolos

z

Camada de Transporte

z Especialmente necessária quando o sistema

planeja ser acessado através da Internet ou redes externas.

z Uma alternativa clássica é usar o “TCP

Pilha de Protocolos

z

Camada de Transporte

z Assuntos Abertos a Pesquisa

z Desenvolvimento de novos esquemas que

Pilha de Protocolos

z

Camada de Aplicação

z 3 propostas de protocolos:

z Protocolo de Gerenciamento de Sensores

( SMP – Sensor Management Protocol ) [16].

z Protocolo de Anúncio de Dados e Alocação

de Tarefas ( TADAP – Task Assignment and Data Advertisement Protocol ) [1].

z Protocolo de Difusão de Dados e Pesquisa

Pilha de Protocolos

z

Camada de Aplicação

z Protocolo de Gerenciamento de Sensores (SMP)

z Fornece as operações através de software

necessárias para executar tarefas

z Algumas tarefas:

z Difusão de regras relacionadas a agregação

de dados, atributos baseado em rótulos e clustering de sensores;

z Troca de Dados relacionados a algoritmos de

Pilha de Protocolos

z

Camada de Aplicação

z Algumas tarefas:

z Sincronização dos sensores.

z Monitorar do movimento dos sensores.

z Ligar e Desligar sensores.

z Pesquisar a configuração e status do

sensores.

z Reconfiguração da Rede de Sensores.

z Autenticidade, Distribuição de Chaves e

Pilha de Protocolos

z

Camada de Aplicação

z Protocolo de Anúncio de Dados e Alocação de

Tarefas (TADAP)

z Difusão de Interesses e Alocação de Tarefas

a uma sub-rede de sensores ou a toda rede.

z Os interesses podem ser designados por

Pilha de Protocolos

z

Camada de Aplicação

z Protocolo de Difusão de Dados e Pesquisa de

Sensores (SQDDP)

z Fornece aplicações de usuário com

interfaces para Pesquisa de assunto dentro da rede.

z Estas pesquisas geralmente não são feitas a

Pilha de Protocolos

z

Camada de Aplicação

z Um Linguagem de Pesquisa e Envio de

Tarefas (SQTL – Sensor query and tasking language) é proposta em [16]

z Baseado no uso de 3 palavras-chaves:

z RECEIVE: define eventos gerados por um

sensor quando recebe uma mensagem;

z EVERY: define eventos que ocorrem

periodicamente devido a timeout

z EXPIRE: define eventos que ocorrem

EXEMPLO DE

APLICAÇÃO

Exemplo de Aplicação

z

Sistema de Localização Interna “Cricket”

( The Cricket Indoor Location System ).

z

É um Projeto do MIT (MIT's Project

Oxygen).

z

O sistema fornece informações de

localização – identificadores de local

(sala), coordenadas da posição e

Exemplo de Aplicação

Exemplo de Aplicação

z

Rastreamento e Localização Distribuída

Exemplo de Aplicação

z

Rastreamento e Localização Distribuída

Em Resumo

z

São muitas as características e exigências

peculiares às Redes de Sensores.

z

Muitos trabalhos são recentes, o que

mostra uma vasta área de pesquisa ainda

pouco explorada.

z

Em [1] há uma tabela com alguns projetos

Referências

z [1] Akyildiz, I.F.; Weilian Su; Sankarasubramaniam, Y.; Cayirci, E.; “A survey on sensor networks”,

Communications Magazine, IEEE, Volume 40, Issue 8, Aug. 2002, Page(s): 102 - 114.

z [2] Hoblos, G.; Staroswiecki, M.; Aitouche, A.; “Optimal

design of fault tolerant sensor networks”, Control

Applications, 2000. Proceedings of the 2000 IEEE

International Conference on 25-27 Sept. 2000, Page(s): 467 – 472.

z [3] Bulusu et. al., “Scalable Coordination For Wireless

Sensor Networks: Self-configuring Localization Systems”,

Referências

z [4] E. Shih et al., “Physical Layer Driven Protocol and

Algorithm Design for Energy-Efficient Wireless Sensor Networks”, Proc. ACM MobiCom ’01, Rome, Italy, July 2001,

pp. 272–86.

z [5] G. J. Pottie and W. J. Kaiser, “Wireless Integrated

Network Sensors”, Commun. ACM, vol. 43, no. 5, May 2000,

pp. 551-58.

z [6] J. M. Kahn, R. H. Katz, and K. S. J. Pister, “Next Century

Challenges: Mobile Networking for Smart Dust”, Proc.

ACM MobiCom ’99, Washington, DC, 1999, pp. 271–78. z [7] R. J. Cramer, M. Z. Win, R. A. Scholtz, “Impulse Radio

Multipath Characteristics and Diversity Reception”,

Referências

z [8] K. Sohrabi et al., “Protocols for Self-Organization of a

Wireless Sensor Network”, IEEE Pers. Commun., Oct.

2000, pp. 16–27.

z [9] A. Woo, and D. Culler, “A Transmission Control Scheme

for Media Access in Sensor Networks”, Proc. ACM

MobiCom ’01, Rome, Italy, July 2001, pp.221–35.

z [10] A. Sinha and A. Chandrakasan, “Dynamic Power

Management in Wireless Sensor Networks”, IEEE Design

Test Comp., Mar./Apr. 2001.

z [11] L. Li, and J. Y. Halpern, “Minimum-Energy Mobile

Wireless Networks Revisited”, ICC ’01, Helsinki, Finland,

Referências

z [12] S. Hedetniemi, S. Hedetniemi, and A. Liestman, “A

Survey of Gossiping and Broadcasting in Communication Networks”, Networks, vol. 18, 1988.

z [13] W. R. Heinzelman, J. Kulik, and H. Balakrishnan,

“Adaptive Protocols for Information Dissemination in

Wireless Sensor Networks”, Proc. ACM MobiCom ’99,

Seattle, WA, 1999, pp. 174–85.

z [14] W. R. Heinzelman, A. Chandrakasan, and H.

Balakrishnan, “Energy-Efficient Communication Protocol

for Wireless Microsensor Networks”, IEEE Proc. Hawaii

Referências

z [15] C. Intanagonwiwat, R. Govindan, and D. Estrin, “Directed

Diffusion: A Scalable and Robust Communication

Paradigm for Sensor Networks”, Proc. ACM MobiCom ’00,

Boston, MA, 2000, pp. 56–67.

z [16] C. Shen, C. Srisathapornphat, and C. Jaikaeo, “Sensor

Information Networking Architecture and Applications”,

IEEE Pers. Commun., Aug. 2001, pp. 52–59.

z [17] Loureiro, A. A. F., Nogueira, J. M. S., Ruiz, L. B., Mini, R. A., Nakamura, E. F., and Figueiredo, C. M. S. (2003b).

FIM