UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
Juarez Ribeiro da Silva
COMPARAÇÃO DE PROTOCOLOS DE RACIONAMENTO
DE ENERGIA EM REDES DE SENSORES SEM FIO
Niterói
2016
Juarez Ribeiro da Silva
COMPARAÇÃO DE PROTOCOLOS DE RACIONAMENTO
DE ENERGIA EM REDES DE SENSORES SEM FIO
Trabalho de Conclusão de Curso subme-tido ao Curso de Tecnologia em Siste-mas de Computação da Universidade Federal Fluminense como requisito par-cial para obtenção do título de Tecnólo-go em Sistemas de Computação.
Orientador:
Leandro Soares de Sousa
NITERÓI
Ficha Catalográfica elaborada pela Biblioteca da Escola de Engenharia e Instituto de Computação da UFF
S586 Silva, Juarez Ribeiro da
Comparação de protocolos de racionamento de energia em redes de sensores sem fio / Juarez Ribeiro da Silva. – Niterói, RJ : [s.n.], 2016.
46 f.
Projeto Final (Tecnólogo em Sistemas de Computação) – Universidade Federal Fluminense, 2016.
Orientador: Leandro Soares de Sousa.
1. Rede de sensores sem fio. 2. Conservação de energia. 3. Sistema de computador. I. Título.
Juarez Ribeiro da Silva
COMPARAÇÃO DE PROTOCOLOS DE RACIONAMENTO
DE ENERGIA EM REDES DE SENSORES SEM FIO
Trabalho de Conclusão de Curso subme-tido ao Curso de Tecnologia em Siste-mas de Computação da Universidade Federal Fluminense como requisito par-cial para obtenção do título de Tecnólo-go em Sistemas de Computação.
Niterói, 13 de junho de 2016. Banca Examinadora:
_________________________________________ Prof. Leandro Soares de Sousa, D. Sc. – Orientador
UFF – Universidade Federal Fluminense
_________________________________________ Prof. Luciano Bertini, D. Sc. – Avaliador UFF – Universidade Federal Fluminense
Dedico este trabalho aos meus pais, esposa e aos meus estimados filhos.
AGRADECIMENTOS
A meu orientador pelo estímulo e atenção que me concedeu durante o curso.
A todos os meus familiares e amigos pelo apoio e colaboração.
“A mente que se abre a uma ideia, jamais voltará ao seu tamanho original”.
RESUMO
Uma rede de sensores sem fio (RSSF) é constituda por um grande número de nós sensores espalhados em uma área, e visa executar cálculos computacionais com base em informações recolhidas a partir do ambiente que deseja-se monitorar. Cada nó da rede possui uma bateria não recarregável em algum casos. Em vista disso, minimizar a energia consumida pelos sensores e, por conseguinte, maximizar o tem-po de vida de uma RSSF é um desafio significativo. Este trabalho aborda algumas das principais técnicas utilizadas para a conservação de energia em redes de sensores. O enfoque principal deste trabalho apresentar mecanismos e protocolos para a economia de energia em RSSF baseados em clusters, agregação de dados,
duty-cycling e as abordagens orientadas a dados, que podem ser usadas para
melhorar a eficiência energética.
Palavras-chaves: Duty-cycling, Agregação de dados e Abordagens orientadas a dados.
ABSTRACT
A wireless sensor network (WSN) is composed of a large number of sensor nodes spread across an area to perform computations based on information collected from the environment we want to monitor. Each node in the network is equipped with a battery, these batteries which recharge in practice is not feasible. Therefore, a crucial question is to extend the network life as much as possible. In view of this, minimizing the power consumed by the sensors and therefore maximize the lifetime of a WSN is a significant challenge. This paper addresses some of the main techniques used for energy conservation in sensor networks. The main focus of this paper is to examine mechanisms and protocols for energy savings in WSN those based on clusters, data aggregation, duty-cycling until data-driven approaches to data that can be used to improve energy efficiency.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 Modelo hierárquico baseado em cluster [8] ... 20 Figura 2 Formação dos Clusters em dois ciclos, (a) e (b), do protocolo LEACH [10]. ... 22 Figura 3 Grade Virtual em GAF ... 35
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Funcionamento do protocolo LEACH ... 22 Tabela 2: Resultados estatísticos de comparação do primeiro nó desligado da rede ... 26 Tabela 3: Resultados estatísticos de comparação do décimo nó desligado da rede 26
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
RSSF - Redes de Sensores Sem Fio.
LEACH - Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy M-LEACH - Multi-hop LEACH
LEACH-F - LEACH with Fixed Cluster
PEGASIS - Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems H-PEGASIS - Hierarchical PEGASIS
HEED - Hybrid, Energy-Efficient Distributed Clustering GAF - Geographical Adaptive Fidelity
GeRaF - Geographic Random Forwarding
ASCENT - Adaptive Self-Configuring sEnsor Networks Topologies CSMA - Carrier Sense Multiple Access
SUMÁRIO
RESUMO ... 7
ABSTRACT ... 8
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ... 9
LISTA DE TABELAS ... 10
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS... 11
1 INTRODUÇÃO ... 15
2 Mecanismo baseados em agrupamentos dos nós sensores ... 19
2.1 Agrupamento Hieráquico adaptativo de baixa energia ... 20
2.2 Multi-hop LEACH (M-LEACH) ... 23
2.3 LEACH with Fixed Cluster (LEACH-F) ... 23
2.4 Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems (PEGASIS)... 23
2.5 Hierarchical PEGASIS (H-PEGASIS) ... 24
2.6 Hybrid Energy-Efficient Distributed Clustering (HEED) ... 25
2.7 Vantagem e desvantagens na utilização da técnica de agrupamento de nós sensores ... 27
3 Mecanismos de Agregação de dados ... 29
3.1 Tipos de agregação de dados ... 29
3.1.1 RSSF orientada a endereço ... 29
3.1.2 RSSF orientada à dado ... 30
3.2 Vantagens e desvantagens dos Mecanismos de Agregação de dados ... 30
4 Abordagens orientadas a dados ... 31
5 Emprego do duty-cycle ... 33
5.1 Protocolos orientados a localização ... 34
5.1.1 GAF (Geographical Adaptive Fidelity) ... 34
5.1.2 GeRaF (Geographic Random Forwarding) ... 35
5.2 Protocolos orientados a conectividade ... 36
5.2.2 ASCENT (Adaptive Self-Configuring sEnsor Networks Topologies)... 37
5.3 Comparação entre protocolos de controle orientados a localização com orientados a conectividade ... 38
6 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS ... 40
6.1 Trabalhos futuros ... 40
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1 INTRODUÇÃO
Umas das áreas significantes em computação são as Redes de Sensores sem Fio (RSSF). Uma RSSF é formada por uma grande quantidade de nós senso-res de tamanho reduzido com capacidade de sensoriamento, controle e atuação. Tais redes são empregadas nas mais diversas áreas, desde o uso doméstico até o seu emprego em indústrias e na área militar. Uma RSSF tipicamente age de maneira cooperativa e pode ser equipada com diversos tipos de sensores capazes de medir atributos físicos, tais como luz, temperatura, umidade, pressão barométrica, veloci-dade, aceleração, campo magnético, etc [1].
As RSSF têm grande potencial para muitas aplicações em cenários, tais como vigilância e rastreamento de alvos militares, prevenção de desastres naturais, aplicação biomédica, análise de ambiente perigoso, detecção sísmica, entre outras. No seguimento de alvos militares e vigilância, uma RSSF pode ajudar na detecção e identificação de uma invasão militar do inimigo. Em desastres naturais, nós sensores podem ser usados para receber sinais de vento ou calor, por exemplo, e através destas avaliações, os desastres podem ser previstos antes que eles ocorram. Em aplicação biomédica, implantes cirúrgicos de sensores podem ajudar a monitorar a saúde do paciente. Para exploração de ambiente perigoso, nós sensores podem de-tectar atmosferas nocivas. Para detecção sísmica, implantação ad hoc (redes ad hoc os nós podem se comunicar entre si sem que haja um ponto de acesso como é visto nas redes convencionais) de sensores ao longo da área vulcânica pode detectar possíveis terremotos e erupções.
Diferentemente das redes tradicionais, uma RSSF tem limitações de re-cursos e configuração. Limitações de rere-cursos incluem uma quantidade restrita de energia, curto alcance de comunicação, baixa largura de banda e baixa capacidade de armazenamento [2]. Como a distribuição dos nós sensores nos ambientes que pretende ser monitorado nem sempre pode ser perfeita devido ao local de monito-ramento ser de difícil acesso como uma floresta sem estradas, onde os nós
senso-16
res precisam ser lançados num avião, assim, muitos nós precisam ser utilizados pa-ra permitir a cobertupa-ra desejada. Isto pode implicar em uma alta densidade de nós que, se não for controlada, pode causar um impacto negativo no tempo de vida da rede devido à replicação de dados, por exemplo. Portanto, uma configuração inicial mínima de nós tem como objetivo não comprometer a qualidade de sensoriamento desejado, diminuindo a alta densidade dos nós a fim de contribuir no aumento do tempo de vida da rede. A análise do ambiente monitorado ou a característica do am-biente determina o tamanho da rede, o esquema de implementação e a topologia da rede. Para alguns espaços limitados internos, menos nós são necessários para for-mar uma rede, enquanto em ambientes exteriores serão necessários mais nós para cobrir uma área de monitoração maior. Quando os nós sensores são espalhados por grandes extensões com difícil acesso, um modelo adequado de rede a este sistema deve atuar sem interferência humana por um prolongado intervalo de tempo. Conse-quentemente, deve-se ter atenção para que o nó não seja desligado da rede por consumir toda sua energia no processamento e transmissão dos dados. Assim, exis-te a preocupação do consumo de energia, que deve ser o menor possível. A elimi-nação de nós por falta de energia pode diminuir significativamente a conectividade numa RSSF e na maioria das aplicações este elemento dever ser evitado, pois com-promete a interligação da rede. Nesse contexto, o aproveitamento da bateria do nó sensor deve ser o mais aprimorado possível, evitando que a rede perca desempe-nho em relação à rapidez e qualidade de resposta, devido à, por exemplo, muitos nós se desconectarem da rede.
A utilização das RSSF impõe novas motivações para prover mecanismos e protocolos de redes adequados às particularidades de uma RSSF. Entre as princi-pais características de interesse numa RSSF estão a manutenção da cobertura da área monitorada, a garantia da conectividade entre os nós sensores e o roteamento dos dados coletados. Por esse motivo, o estudo de mecanismos de economia de energia é muito relevante em aplicações de RSSF, que necessitam operar por um longo período de tempo. Este trabalho tem como objetivo apresentar mecanismos e protocolos que visam aperfeiçoar a eficiência energética em uma RSSF, que colabo-ram no racionamento da energia dos sensores. Alguns destes visam não só minimi-zar as retransmissões, mas também o uso menos intensivo do rádio tanto para transmissão como recepção entre outras ações.
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Muitas vezes, as implementações de RSSF utilizam técnicas de agrupa-mento como um método para alcançar a auto-organização e escalabilidade em seu modelo de comunicação [3].
O agrupamento consiste em organizar os nós sensores a fim de otimizar a disseminação dos dados através da rede. O agrupamento de sensores, também co-nhecido como cluster, possui um modelo hierárquico onde cada cluster possui um líder chamado de cluster head. Assim, os nós que se encontram no cluster encami-nham os dados que estão sendo monitorados para o cluster head, que por sua vez os enviam para o nó sorvedouros ou para estação base. Nó sorvedouro ou estação base é um tipo especial de nó sensor, responsável por coletar os dados dos outros nós sensores da rede, ele possui maior capacidade de bateria, maior capacidade de armazenamento e processamento que os outros nós da rede.
O processo de transmissão nos nós sensores é uma das atividades que mais consomem energia [4]. Recentes pesquisas nesta área estão sendo elabora-das, como descrito em [5] que consiste em diminuir o tamanho das mensagens e o número de transmissões, assim sendo, busca diminuir a energia gasta na transmis-são fundamentando-se no ajuste do processamento interno dos nós sensores. Outra pesquisa [6], investiga um melhor ajuste para o roteamento consistindo na minimiza-ção do uso da bateria, portanto, em caso de ociosidade, os sensores se autodesli-guem.
Outra técnica de economia de energia consiste na agregação de dados. Devido à RSSF geralmente apresentar uma ampla quantidade de nós sensores, mui-tos desses componentes realizam o sensoriamento de uma mesma variável monito-rada consequentemente ocasionando redundância de informações na rede.
A agregação de dados tem como base conciliar dados provenientes de di-ferentes nós sensores para ampliar a percepção do ambiente que pretende monito-rar e simultaneamente eliminar as transmissões redundantes. O sensoriamento de um fenômeno e a alta densidade dos nós, características comuns das RSSF, pode gerar um elevado nível de redundância. Agregação de dados tem como objetivo co-letar os dados mais críticos dos sensores e torná-los disponíveis para o nó sorve-douro de uma maneira energeticamente eficiente e com mínima latência de dados. Assim, é fundamental desenvolver mecanismos de agregação de dados eficientes energeticamente para aumentar a vida útil da rede.
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A funcionalidade da rede de sensores deve ser estendida tanto tempo quanto possível. Em um esquema de agregação de dados ideal, cada sensor deve gastar a mesma quantidade de energia na coleta de dados. Assumindo que todos os sensores são igualmente importantes, deve-se minimizar o consumo de energia de cada sensor. Tempo de vida da rede, acurácia dos dados e latência são algumas das importantes medidas de desempenho da eficiência energética numa RSSF. As definições de tempo de vida de rede, latência, acurácia serão descritas na sequência, pois serão necessárias ao longo do texto.
Como já mencionado, o desempenho das aplicações de redes de sensores depende fortemente do tempo de vida da rede [7]. Em uma rede bem projetada, os sensores em uma determinada área exibem comportamentos similares para alcançar o equilíbrio energético. Em outras palavras, quando um sensor é desligado da rede por falta de energia, pode-se esperar que os seus vizinhos também ficarão sem energia, uma vez que eles terão de assumir as responsabilidades desse sensor. Já a definição de acurácia dos dados depende da aplicação específica para a qual a rede de sensores é projetada. Por exemplo, um problema na localização do alvo, a estimativa da localização do alvo no nó sorvedouro determina a acurácia dos dados. A latência é definida como o atraso envolvido na transmissão de dados, roteamento e agregação de dados. Pode ser medido como o tempo de atraso entre os pacotes de dados recebidos no nó sorvedouro e os dados gerados nos nós de origem.
Este trabalho será organizado em seis capítulos. No Capítulo 2 são des-critos os principais mecanismos baseados em agrupamentos dos nós sensores e protocolos que são utilizados para economia de energia, tais como protocolos base-ado em cluster. O Capítulo 3 apresenta um mecanismo agregação de dbase-ados. Já o Capítulo 4 apresenta abordagem orientada a dados. O Capítulo 5 demonstra o em-prego do duty-cycling. Por fim, no Capítulo 6 foram incluídas as conclusões deste trabalho.
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2 MECANISMO BASEADOS EM AGRUPAMENTOS DOS
NÓS SENSORES
Este capítulo apresenta as forma de agrupamento e para isto as Seções 2.1 até 2.6 abordam protocolos que utilizam esse mecanismos e a Seção 2.7 apresenta as vantagens e desvantagens da utilização desta técnica.
Coletar informações numa RSSF, minimizando o consumo geral de ener-gia e maximizando a quantidade de dados recebidos na estação base ou nó sorve-douro requer um esquema eficiente de economia de energia. O agrupamento de nós sensores é uma técnica muito utilizada, conforme apresentado em [8]. Um modo efi-caz para economizar energia é o roteamento hierárquico.
O roteamento hierárquico também é conhecido como roteamento baseado em cluster, sendo um cluster um agrupamento de nós, liderados por alguns nós do grupo, onde esses nós assumem funções especiais e são denominados
cluster-head. Cabe aos nós cluster-head receber os dados dos nós do seu cluster,
proces-sar os dados e enviar as informações para o nó sorvedouro ou para a estação base. A Figura 1 ilustra uma RSSF dividida em clusters. Neste caso foram defi-nidos os nós de clusters head de primeiro e segundo nível, formando uma hierar-quia. A diferença entre os clusters de primeiro e segundo nível é que o cluster head de segundo nível está diretamente conectado a estação base enquanto o primeiro está conectado ao cluster head de segundo nível.
Para que não se esgote a energia dos clusters heads devido ao uso de pilhas e baterias no monitoramento realizado pelos sensores. Nestes casos caracte-rísticos, os nós atuando como clusters head de seus agrupamentos são responsá-veis por boa parte do roteamento, consumindo mais energia do que os nós comuns de seu agrupamento. Então, uma das técnicas ou um modo de evitar o consumo excessivo de energia dos clusters heads é empregar a operação de rotação de líde-res a fim de balancear o consumo de energia interno aos agrupamentos. Essa ope-ração alterna o papel dos nós no agrupamento de ser um cluster head, deste modo, o consumo de energia seja distribuído internamente entre os nós do mesmo agru-pamento, evitando a sobrecarga de apenas um nó sensor. Nas Seções 2.1 até 2.6 a
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seguir são explicitadas as técnicas que alternam dinamicamente a posição do cluster
head nos agrupamentos.
Figura 1 Modelo hierárquico baseado em cluster [8]
2.1 AGRUPAMENTO HIERÁQUICO ADAPTATIVO DE BAIXA ENERGIA
O protocolo Low-energy adaptive clustering hierarchy (LEACH) [9]. É um dos mais populares protocolos utilizados para a redução do consumo de energia numa RSSF que utiliza a técnica de agrupamento. LEACH é um protocolo de disse-minação de dados de aplicação específica que usa a técnica de clusterização, apre-sentada na Seção 2, para prolongar a vida útil da rede de sensores sem fio.
O LEACH divide a rede em vários clusters sendo os clusters head esco-lhidos de forma independente, esta escolha evita o uso excessivo de um nó para que não se esgote sua energia. No LEACH a tarefa de cluster head é dividida entre
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todos os nós da rede, pois o protocolo determina que um nó só possa ser novamen-te um clusnovamen-ter head quando todos os nós da rede já tiverem sido eleitos clusnovamen-ter head.
No protocolo LEACH a eleição dos nós de se tornar um cluster head é determinado através da seguinte configuração: clusters são organizados e os
clus-ters heads são selecionados considerando a quantidade de energia existente em
cada nó.
Considerando que o gasto de energia do sensor pode depender da dis-tância, se os nós puderem regular a potência do sinal de transmissão. Caso contrá-rio, transmitir para perto ou para longe gastará a mesma energia. Tão somente vai depender do tamanho dos dados que vão ser transmitidos, o LEACH transmite os dados através de distâncias curtas utilizando nós intermediários em rotas com múlti-plos saltos para reduzir o número de operações de transmissão e de recepção.
Cluster head utiliza protocolo de acesso ao meio CSMA (Carrier Sense Multiple Access) para fazer a propagação de seu status. O protocolo CSMA consiste
em verificar a forma que cada nó, antes de transmitir seus dados, verifica se o meio físico está livre. Caso não esteja, o nó é obrigado a esperar a sua liberação antes de transmitir. Assim, todos os sensores que não são cluster head devem manter seus receptores ligados durante a fase de configuração, a fim de receber as informações enviadas pelo cluster head
A decisão de um sensor para se tornar um cluster head é feita de forma aleatória conforme a Figura 2 [10] onde os pontos pretos maiores representam os
clusters heads, os outros pontos representam os nós sensores, sendo que os
símbo-los iguais representam os grupos. Cada nó 𝑖 tem probabilidade 𝑃𝑖(𝑡) de se tornar um
cluster head no tempo 𝑡. Essa probabilidade é escolhida de tal forma que o de
clus-ter heads seja igual a 𝑘, ou seja, ∑𝑁𝑖=1𝑃𝑖(𝑡), onde 𝑁 é o de nós da rede.
Assim, o uso do protocolo LEACH reduz o consumo de energia por mini-mizar o custo de comunicação entre os nos sensores e seus clusters head e desliga os nós que não são cluster head, tanto quanto for possível [11]. LEACH tem algu-mas características importantes: alterna a seleção do nó que será cluster head de forma randomizada para atingir o consumo de energia equilibrado, os sensores têm relógios sincronizados de modo que conheça o início de um novo ciclo.
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Figura 2 Formação dos Clusters em dois ciclos, (a) e (b), do protocolo LEACH [10]. A Tabela 1 apresenta um resumo do funcionamento do protocolo e a or-dem de funcionamento do LEACH.
Tabela 1: Funcionamento do protocolo LEACH
Resumo do funcionamento do protocolo LEACH
Fase de anúncio Os nós se auto elegem cluster heads e propagam esta informação para todos os outros nós da rede.
Fase de configuração Os nós que não são cluster heads escolhem um cluster
head para ser seu "dirigente".
Escalonamento Os clusters heads, a partir dos nós que se candidata-ram a fazer parte de seu cluster, criam um escalona-mento e o propaga para os nós pertencentes ao seu
cluster, de modo que cada nó pode saber a hora certa
de transmitir sua informação.
Transmissão de dados Os nós do cluster, baseado no escalonamento, trans-mitem a informação coletada para o cluster head, que por sua vez, após receber a informação de todos os nós, processa e envia estas informações para a esta-ção base.
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2.2 MULTI-HOP LEACH (M-LEACH)
O M-LEACH descrito em [12] é uma modificação do protocolo LEACH. Neste trabalho, Mhatre e Rosenberg estendem as soluções do protocolo LEACH já existentes ao permitir a comunicação de múltiplos saltos dos nós de um mesmo
clus-ter numa RSSF quando a comunicação direta com o clusclus-ter head ou para a estação
base não for possível devido à distância entre eles. Assim, a principal alteração do M-LEACH em relação ao LEACH é que a abordagem múltiplos saltos pode ser utili-zada dentro do cluster (mensagens de nós sensores para o cluster head) e fora do
cluster (mensagens dos clusters head para a estação base usando os nós sensores
intermediários). O cluster head também pode executar a fusão de dados, permitindo uma redução no total de dados transmitidos na rede.
2.3 LEACH WITH FIXED CLUSTER (LEACH-F)
O LEACH-F [13] é um protocolo baseado no LEACH e considera que os nós estão organizados em cluster que se formam uma vez e se tornam fixos. Em seguida, a posição do cluster head é permutada entre os nós do cluster. A vantagem disso é que uma vez que os grupos são formados, não há sobrecarga da configuração no início de cada ciclo. Os clusters fixos em LEACH-F não permitem adicionar novos nós ao sistema e não ajustam o seu comportamento baseado em nós que são desligados do sistema por falta de energia.
2.4 POWER-EFFICIENT GATHERING IN SENSOR INFORMATION SYSTEMS (PEGASIS)
O PEGASIS [14] é uma extensão do protocolo LEACH e baseia-se no princípio de que cada nó só pode se comunicar com seus vizinhos mais próximos.
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Diferente da topologia de clusters, neste protocolo a rede é configurada em uma topologia na forma de uma cadeia de sensores, assim os dados são transmitidos de um vizinho para o outro, até chegar a um nó que terá a tarefa de transmitir os dados coletados para a estação base. No entanto, em cada ciclo de transmissão somente um nó executa esta tarefa de transmissão até a estação base. O propósito deste procedimento é reduzir ao máximo o gasto total de energia da rede, uma vez que cada nó só precisará fazer uma transmissão a uma curta distância, ou seja, para o vizinho mais próximo.
A topologia da cadeia é obtida através de um algoritmo guloso. Ao contrário do LEACH, o PEGASIS evita a formação de cluster e usa apenas um nó em uma cadeia para transmitir os dados para estação base, em vez de usar vários nós. Um sensor transmite os seus dados para seus vizinhos, diferentemente do LEACH aonde os dados são enviados diretamente para o seu cluster head.
No protocolo de roteamento PEGASIS, a fase de configuração pressupõe que todos os sensores têm conhecimento global sobre a rede, em especial, as posi-ções dos sensores e usar um algoritmo guloso. Especificamente, ele começa com o sensor mais distante da estação base para garantir que esses sensores mais distan-tes tenham vizinhos próximos. Quando um sensor falhar ou morrer devido à baixa energia da bateria, a cadeia é construída usando a mesma abordagem gananciosa, ignorando o sensor que falhou.
2.5 HIERARCHICAL PEGASIS (H-PEGASIS)
O H-PEGASIS [14] foi introduzido com o objetivo de diminuir o atraso de pacotes durante a transmissão para estação base. Para este efeito, transmissões simultâneas de dados de forma a evitar colisões através de abordagens que incorpo-ram codificação do sinal e transmissões espaciais. O H-PEGASIS propõe uma solu-ção para o problema coleta de dados, considerando a métrica energia X delay (mé-trica que tem como finalidade considerar tanto a energia quanto o desempenho). A fim de reduzir o atraso em PEGASIS, transmissões simultâneas de mensagens de dados são adotadas. Para evitar colisões e possível interferência de sinal entre os
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sensores, duas abordagens foram investigadas. A primeira abordagem incorpora a codificação do sinal, por exemplo, CDMA. Na segunda abordagem apenas os nós separados espacialmente estão autorizados a transmitir ao mesmo tempo. Os nós pertencentes ao protocolo baseado em cadeia com CDMA são capazes de construir uma cadeia de nós, que forma uma hierarquia, assim cada nó selecionado num nível particular transmite os dados para o nó no nível superior da hierarquia. Este método assegura que forme transmissão de dados em paralelo e reduz significativamente o atraso.
2.6 HYBRID ENERGY-EFFICIENT DISTRIBUTED CLUSTERING (HEED)
O HEED [15] estende o protocolo de LEACH usando a energia residual e a posição em que o nó ocupa ou a densidade como métrica para a seleção de
cluster para conseguir o balanceamento de energia. Ele funciona em redes de
múltiplos saltos. HEED foi proposto com quatro metas principais:
1. Prolongar a vida útil da rede através da distribuição do consumo de energia. 2. Término de formação de cluster dentro de um número constante de
iterações.
3. Minimizar a sobrecarga de tráfego de controle.
4. Produzir cluster head bem distribuídos e clusters compactos com o objetivo de economizar energia.
No HEED, o propósito é selecionar periodicamente de acordo com o
cluster head uma combinação de dois parâmetros para a formação do cluster. O
parâmetro primário é a energia residual de cada nó sensor (cálculo da probabilidade de se tornar um cluster head) e o parâmetro secundário é o custo da comunicação intra-cluster como uma função da densidade do cluster ou do nível do nó (por exemplo, número de vizinhos). Essa probabilidade é calculada pela Equação 1:
𝐶𝐻𝑝𝑟𝑜𝑏 = 𝐶𝑝𝑟𝑜𝑏×𝐸𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙
𝐸𝑚𝑎𝑥 Equação 1
Onde, 𝐶𝐻𝑝𝑟𝑜𝑏 é a probabilidade de cada nó se tornar um cluster head, 𝐶𝑝𝑟𝑜𝑏 é a
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é a energia residual estimada para esse nó e 𝐸𝑚𝑎𝑥 é a energia máxima quando a
bateria está totalmente carregada, sendo este valor constante para todos os nós da rede. O parâmetro primário é usado para selecionar probabilisticamente um conjunto inicial de cluster head enquanto o parâmetro secundário é usado para o desempate.
No HEED, a distribuição do consumo de energia prolonga o tempo de vi-da de todos os nós vi-da rede, mantendo assim a estabilivi-dade do conjunto de nós vizi-nhos. Os nós sensores também atualizarão automaticamente seus conjuntos de vi-zinhos, enviando e recebendo periodicamente mensagens em múltiplos saltos atra-vés da rede. O protocolo HEED aumenta a vida útil da rede em comparação ao pro-tocolo LEACH, pois o LEACH seleciona aleatoriamente os clusters head. O que po-de resultar na falha mais rápida po-de alguns nós. Os clusters head selecionados no protocolo HEED estão bem melhor distribuídos em toda a rede, assim o custo de comunicação é minimizado.
O protocolo HEED é comparado com o protocolo LEACH em [33], obser-vou-se que o protocolo HEED é mais eficiente em relação ao tempo de vida quando comparado ao protocolo LEACH como observado nas tabelas 2 e 3, na sequência. A comparação entre o tempo de vida da RSSF foi delimitado em rodadas. Uma rodada ocorre a cada fluxo de roteamento na rede, podendo esse ser um processo de dis-seminação ou de coleta de dados. O primeiro nó desligado da rede em HEED foi à rodada 1495, enquanto que no caso de LEACH o primeiro nó desligado da rede foi na rodada 1075. Depois de 10 rodadas o protocolo HEED mostrou-se mais eficiente.
Tabela 2: Resultados estatísticos de comparação do primeiro nó desligado da rede Protocolos baseado em cluster Primeiro nó desligado da rede
HEED 1495
LEACH 1075
Tabela 3: Resultados estatísticos de comparação do décimo nó desligado da rede Protocolos baseado em cluster Décimo nó desligado da rede
HEED 1593
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2.7 VANTAGEM E DESVANTAGENS NA UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA DE AGRU-PAMENTO DE NÓS SENSORES
A utilização de organização dos nós sensores através de clusters, por exemplo, aumenta o tempo de vida numa RSSF. Uma grande parte da energia é utilizada na comunicação entre os nós ou com o nó sorvedouro ou com os
cluster-heads. Dependendo da arquitetura da RSSF, uma maneira adequada para a
eco-nomia da energia é que os nós pertencentes à rede estejam num cluster. Usando esse método, a divisão de uma RSSF em alguns conjuntos independentes com seus receptores cluster-heads, deste modo essa organização possui vantagens como a agregação de dados, facilitando a coleta de dados e favorecendo a organização de uma estrutura adequada para o encaminhamento escalável e eficiente para a dis-seminação dos dados sobre as RSSF. O objetivo de usar métodos de agrupamento em RSSF é reduzir o volume de dados transferidos e recebidos tendo como resulta-do a redução da energia consumida. As muitas restrições de uma RSSF como limi-tações de energia, memória e poder de processamento favorece a criação de méto-dos de agrupamento méto-dos nós sensores para prolongar o tempo de vida da rede.
Algumas das vantagens mais importantes da utilização de mecanismo de agrupamento dos sensores em RSSF são:
1. Agregação de dados e compactação. 2. Redução do volume de dados transmitidos.
3. Diminuição do número de nós que participam na transmissão de dados. 4. Prolongamento do tempo de vida da rede.
5. Escalabilidade na RSSF.
6. Redução de sobrecarga na comunicação (por ambas as comunicações simples e múltiplos saltos).
7. Redução do atraso.
8. Maior regularidade (gerenciamento de rede mais fácil). 9. Estabelecem múltiplos saltos.
10. Obter mais estabilidade.
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12. Estabilidade da topologia da rede no nível de rede de sensores [16] (reduzindo o custo de sobrecarga e mantendo a topologia).
13. Coletam informações periódicas do ambiente através dos nós (reduzindo a energia consumida e a redundância).
Além disso, existem alguns pontos fracos ou problemas existentes sobre técnicas de agrupamento como:
1. Diferentes hipóteses, vários ambientes operacionais, restrições de design. 2. Grande número de nós e RSSF em grande escala.
3. Os nós desconhecem sua localização, ou seja, algoritmos devem usar apenas informações de seus nós vizinhos.
4. Restrições de energia, pois permite uma sobrecarga mínima de mensagens. 5. Em ambiente hostil, quando algum nó é desligado da rede, há uma
necessidade de reagrupamento dos sensores desta forma existe uma degradação parcial da infraestrutura da rede.
6. Parâmetros para o agrupamento não são constantes e evoluir com o tempo e ambientes.
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3 MECANISMOS DE AGREGAÇÃO DE DADOS
Agregar os dados enquanto são propagados em roteamento desde os nós que estão realizando o sensoriamento do ambiente até a estação base, distribuindo a carga de processamento em nós intermediários é uma forma eficiente de economizar energia como apresentado no Capítulo 2, proporcionando a redução do número de transmissões necessárias para que a informação seja conduzida ao seu destino.
Com o emprego do método de agregação de dados em nós intermediá-rios, significa ser admissível limitar a quantidade de dados propagados sem com-prometer a qualidade da informação que pretende monitorar. Isto propicia a econo-mia da energia, aumentando o tempo efetivo de utilização da rede.
3.1 TIPOS DE AGREGAÇÃO DE DADOS
Há dois tipos de agregação de dados de rede. Uma orientada a endereço e a outra orientada a dado [17].
3.1.1 RSSF orientada a endereço
No protocolo de roteamento centrado no endereço [18], a consulta é rote-ada para um endereço específico de um sensor com base no endereço especificado na consulta. Cada endereço de origem envia os dados pelo caminho mais curto até chegar ao nó sorvedouro. Os dados são então enviados a partir de um local especí-fico para a estação base. A origem com o endereço especificado na consulta envia seus dados diretamente para a estação base.
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3.1.2 RSSF orientada à dado
Já no protocolo de roteamento centrado no dado [19], a consulta é trans-mitida para todos os nós na rede. As rotas são definidas com base no conteúdo das mensagens. O protocolo centrado em dados é a melhor opção para a implementa-ção efetiva de uma forma de agregaimplementa-ção de dados de múltiplas fontes.
3.2 VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS MECANISMOS DE AGREGAÇÃO DE DADOS
Com relação às vantagens e desvantagens da agregação de dados em redes de sensores sem fio pode se dizer que como vantagem o processo de agrega-ção de dados pode melhorar a robustez e precisão da informaagrega-ção que pode ser obti-da por toobti-da a rede, devido à redundância existente nos obti-dados coletados a partir dos nós sensores, assim, o processo de agregação de dados é necessário para reduzir a redundância de informações. Outra vantagem da agregação de dados é que reduz a carga de tráfego, desta forma economiza a energia dos sensores.
A desvantagem na agregação de dados é que geralmente os dados são centralizados nos cluster heads ou em nós agregadores de dados. Este cluster
he-ads pode ser atacado por um invasor mal-intencionado. Se o cluster hehe-ads está
comprometido, então a estação de base não pode assegurar a correção dos dados de agregação que foi enviado para ela. Outra desvantagem é que várias cópias do resultado agregado podem ser enviadas para a estação de base por nós corrompi-dos. Isto pode aumentar a energia consumida nestes nós.
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4 ABORDAGENS ORIENTADAS A DADOS
Abordagens baseadas em dados podem ser usadas para melhorar a efi-ciência energética [20]. Há duas maneiras de impactos de consumo de energia no sensoriamento dos dados sobre os nós sensores em relação às amostras monitora-das desnecessariamente. Portanto, não há necessidade de se comunicar a informa-ção redundante para o nó sorvedouro, a fim de diminuir o consumo de energia no sistema de detecção.
No primeiro caso, as amostras desnecessárias resultam em consumo de energia desnecessário, mesmo que os custos de amostragem sejam desprezíveis, eles resultam em comunicações inúteis. O segundo problema surge quando o con-sumo do sistema de detecção não é desprezível. Abordagens orientadas a dados podem resolver o caso de amostras desnecessárias reduzindo os dados, enquanto esquemas de aquisição de dados com eficiência energética têm como objetivo a re-dução da energia gasta pelo sistema de detecção. A rere-dução de dados pode ser de-limitada para o processamento na rede e a previsão de dados que será em seguida descrita em detalhe nesta seção. O processamento na rede de consiste na realiza-ção de agregarealiza-ção de dados (por exemplo, o cálculo da média de alguns valores) nos nós intermediários entre as origens e o nó sorvedouro. Desta forma, a quantidade de dados é reduzida enquanto atravessa a rede para o nó sorvedouro.
Previsão de dados consiste na construção de uma abstração de um fe-nômeno detectado, por exemplo, um modelo que descreve a evolução dos dados. O modelo pode predizer os valores detectados por nós sensores dentro de certos limi-tes de erro e permanecer tanto nos sensores quanto no nó sorvedouro. Se a preci-são necessária é satisfeita, consultas emitidas pelos usuários podem ser avaliadas no nó sorvedouro por meio de um modelo sem a necessidade de obter exatamente os dados dos nós.
Técnicas de previsão de dados criam um modelo que descreve o fenômeno que pretende ser detectado, para que as consultas possam ser respondidas utilizando o modelo ao invés dos dados realmente detectados. Há duas instâncias de um modelo na rede, um residente no nó sorvedouro e outro em nós de origem, de modo que há tantos pares de modelos como nós de origem.
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Além dos sistemas aqui descritos, existem técnicas para o processamento de consultas nas redes de sensores. Protocolos de roteamento energeticamente efi-cientes, processamento de consulta de dados aproximado, técnicas de estratégia adaptativa e otimização do projeto ao longo do tempo são algumas dessas técnicas. A maioria dessas técnicas se concentram na otimização e execução de uma única consulta de longo prazo.
Em [21] investigaram o efeito de árvores de roteamento em agregação de dados para processamento de consultas. Neste trabalho destes autores, existem otimizações de consulta que são feitos em nós da rede. Este método detecta quando compartilhar dados parciais entre diferentes consultas e como a informação redun-dante deve ser eliminado através do caminho.
Um método de codificação apropriado também é utilizado para enviar o volume mínimo de dos dados para a estação de base [22]. O objetivo deste trabalho é baseado em regiões em consultas de agregação. Consultas não são enviadas pa-ra os nós de imediato, em vez disso, o otimizador de consulta na estação base sepa-ra lotes com o mesmo opesepa-rador de agregação em um único grupo e otimiza cada grupo de forma independente. A ideia principal desta abordagem é utilizar um méto-do de combinações para reduzir o número de regiões que são necessárias para executar as consultas. A ideia dessa abordagem é compartilhar a rede de sensores entre várias consultas. Este modelo contém uma unidade de processamento na es-tação de base que junta todas as consultas em um conjunto para construir uma con-sulta de rede [23]. A concon-sulta do usuário deve ser um subconjunto da concon-sulta de rede. Em outras palavras, a consulta de rede deve cobrir todas as consultas do usu-ário.
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5 EMPREGO DO DUTY-CYCLE
Normalmente, o rádio dos nós sensores tem quatro modos de operação: transmissão, recepção, escuta ociosa e modo inativo (hibernando). O rádio é o com-ponente de hardware do nó sensor que mais consome energia quando ativo. A energia consumida pelo rádio de comunicação em modo de recepção é considerá-vel, se comparada a outros componentes do nó sensor, enquanto a energia consu-mida pelo rádio em modo de transmissão representa o máximo de energia consumi-da pelo nó sensor. Muitos fatores afetam as características do consumo de energia de um rádio, incluindo o tipo de modulação utilizado, taxa de dados, potência de transmissão (determinado pela distância de transmissão).
Outra característica importante consiste no modo de operação de escuta ociosa, que consome quase o mesmo tanto de energia quando em modo de recep-ção [24]. Assim, a melhor maneira de economizar energia é desligando o rádio com-pletamente (hibernando). Nesse contexto, duty-cycle pode ser usado através de du-as abordagens diferentes e complementares. De um lado, é possível explorar a re-dundância dos sensores que é típico em redes de sensores e de forma adaptativa selecionar apenas um subconjunto mínimo de nós para permanecer ativo para man-ter a conectividade. Em algumas aplicações, (por exemplo, a detecção de eventos), os eventos são tipicamente raros e, portanto, os nós sensores passam a maioria do seu tempo no período de ociosidade gastando energia, o que reduz o tempo de vida numa rede de sensores. Assim, nós que não estejam sendo necessários para garan-tir a conectividade da rede podem entrar no modo de hibernação e economizar energia. Em vista disso, o controle de topologia desejado é encontrar o subconjunto ótimo de nós que garantem a conectividade da rede.
Por outro lado, nós ativos (nós selecionados pelo protocolo de controle de topologia) não precisam manter o rádio continuamente ligado. Eles podem desligar o rádio (colocá-lo no modo de espera) quando não há atividade de rede. Assim, alter-nando entre períodos de hibernação e despertar.
Dessa maneira, duty cycle é utilizado para descrever a fração de tempo em que um sinal ou sistema está em um estado ativo. Nós sensores são componen-tes eletrônicos que podem funcionar em regime liga-desliga (on-off)
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te. Por exemplo, admita que sensores monitorem a pressão e temperatura de um ambiente por 1 minuto, fica desligado por 9 minutos, volta a estar ativo por mais 1 minuto e assim por diante. Assim, dentro de cada período de 10 minutos, os senso-res ficam ativos por 1 minuto. Neste caso, o duty cycle é de 1/10, ou 10%.
Ao longo desta seção o duty-cycle é referenciado como gerenciamento de energia em nós ativos. Protocolos de duty-cycle podem ser implementados tanto como protocolos de hibernação ou despertar independentes, sendo executados no topo de um protocolo MAC. Diversos critérios podem igualmente ser utilizados para decidir quando e quais nós ativar ou desativar. Neste sentido, os protocolos de con-trole de topologia podem ser classificados em duas categorias: protocolo orientado a localização que definem que nó ativar e quando; protocolo orientado a conectividade que ativa ou desativa dinamicamente nós sensores de modo que seja realizada a conectividade de rede ou a cobertura completa.
5.1 PROTOCOLOS ORIENTADOS A LOCALIZAÇÃO
5.1.1 GAF (Geographical Adaptive Fidelity)
GAF [25] é um protocolo orientado a localização que reduz o consumo de energia ao mesmo tempo mantendo um nível de confiabilidade constante no enca-minhamento. A área de detecção em que os nós são distribuídos está fracionada em pequenas grades virtuais. De acordo com a definição da grade virtual, qualquer nó em redes adjacentes pode se comunicar uns com os outros.
Cada grade virtual é definida de tal modo que, para quaisquer duas gra-des adjacentes A e B, todos os nós A são capazes de se comunicar com os nós em B, e vice-versa conforme a Figura 3. Por isso, o nó 1 na grade A pode comunicar com os nós de 2, 3 e 4 na grelha B e todos os nós da rede B pode comunicar com o nó 5 na grade adjacente C. Isto significa que o nó 2, 3 e 4 são equivalentes e quais-quer dois deles podem dormir. Além disso, a distância entre dois nós em quaisquais-quer duas grades adjacentes, tais como a distância entre o nó de rede 2 da grade B e 5
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da grade C não deve ser maior do que r. Assim, o tamanho da grade é baseado no alcance nominal do rádio r portanto se duas grades adjacentes querem se comuni-car as distancias entre os nós tem que ser menor que r, onde cada grade quadrada é de tamanho r × r.
Figura 3 Grade Virtual em GAF
5.1.2 GeRaF (Geographic Random Forwarding)
GeRaF [26] é definido como um protocolo de roteamento geográfico mas apresenta características de duty-cycling orientado a localização. Os nós seguem um determinado ciclo de trabalho para alternar entre estados ativos e inativos. Os nós alternam periodicamente para o estado ativo, começando em modo de escuta e se necessário eles podem participar do encaminhamento.
A transmissão dos dados é iniciada assim que um nó possui um pacote para enviar. Neste caso, o nó torna-se ativo e emite um pacote contendo o seu pró-prio local e o local do receptor pretendido. Em seguida, inicia uma fase de encami-nhamento pelo receptor. Em consequência, um dos vizinhos ativos do remetente será selecionado para retransmitir os pacotes para o destino. Para esse fim, a ideia
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principal é que cada nó ativo tenha prioridade de encaminhar o pacote dependendo de sua proximidade com o destino pretendido. Além da prioridade, um esquema de distribuição aleatória também é utilizado.
No esquema de distribuição aleatória, a porção da área de cobertura do emissor que está mais próximo do destino pretendido é dividida em certo número de regiões. Cada região tem sua prioridade associada e regiões são escolhidas de mo-do que tomo-dos os nós dentro de uma região são mais perto mo-do destino mo-do que qual-quer outro nó em uma região com uma prioridade menor.
5.2 PROTOCOLOS ORIENTADOS A CONECTIVIDADE
5.2.1 Span
Span, definido em [27] é um protocolo orientado a conectividade que
ga-rante que nós suficientes devem permanecer acordado para formar uma cadeia prin-cipal conectada na topologia de encaminhamento de dados.
Span elege coordenadores dinamicamente com base nos nós vizinhos e
na conectividade, esta informação é obtida a partir de um protocolo de roteamento. Estes coordenadores ficam acordados para realizar roteamento de múltiplos saltos, enquanto outros dormem para economizar energia. Estes não coordenadores verifi-cam periodiverifi-camente se eles devem acordar para se tornar um coordenador. No en-tanto, pode acontecer que vários nós percebam a falta de um coordenador ao mes-mo tempo e, portanto, todos eles decidam tornar-se um coordenador. Para evitar este caso, cada nó utiliza uma função que gera um tempo aleatório tendo em conta tanto o número de vizinhos que podem ser conectados ao um nó coordenador em potencial.
As ideias fundamentais do protocolo são: nós sensores com uma carga de bateria superior são mais propensos a oferecer-se para se tornar um coordenador e coordenadores devem ser selecionados de tal forma a minimizar o seu número. Ca-da coordenador verifica periodicamente se ele pode deixar de ser um coordenador.
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O algoritmo de eleição Span requer conhecer o próximo coordenador e as informa-ções sobre a conectividade para decidir se um nó deve tornar-se um coordenador ou não. Essas informações são fornecidas pelo protocolo de roteamento, portanto,
Span depende disso para exigir a modificação no processo de pesquisa de
rotea-mento.
5.2.2 ASCENT (Adaptive Self-Configuring sEnsor Networks Topologies)
ASCENT [28] é um protocolo orientado a conectividade que, ao contrário do protocolo Span, não depende do roteamento. No ASCENT um nó decide se jun-tar à rede ou continuar hibernando com base em informações sobre a conectividade e perda de pacotes que são medidos localmente pelo próprio nó.
No ASCENT, inicialmente, apenas alguns nós são ativos, enquanto todos os outros estão em estado passivo, assim não transmitem. Se o número de nós ati-vos não é grande o suficiente, talvez haja uma perda elevada de mensagens a partir das origens para o nó sorvedouro. Quando isso acontece, o nó sorvedouro começa a enviar mensagens de ajuda para solicitar nós vizinhos que estão em estado passi-vo para aderir à rede, alterando seu estado passipassi-vo para atipassi-vo. Vizinhos passipassi-vos têm o seu rádio ligado e escuta todos os pacotes transmitidos por seus vizinhos ati-vos. No entanto, eles não cooperam para transmitir pacotes de dados ou informa-ções de controle de roteamento. Eles só coletam informainforma-ções sobre o status da rede sem interferir com outros nós. Ao contrário, os vizinhos ativos encaminhar mensa-gens. Nós ativos também podem enviar mensagens de ajuda quando encontram uma perda de dados local num nível inaceitável.
Assim, O ASCENT possui muitas fases. Quando um sensor é instaurado, ele entra em um modo de escuta chamado fase de descoberta de vizinhos, onde cada nó obtém um número presumido de vizinhos transmitindo ativamente mensagens baseadas em medidas locais. Quando esta fase termina, os nós entram em uma fase de decisão de inclusão, onde os nós decidem quando devem se juntar a rede de difusão multi-hop. No decorrer dessa fase, o nó pode participar temporariamente da rede para avaliar quanto ele contribui para favorecer a
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conectividade. Se o nó resolver se juntar a rede por um período maior, ele entra na fase ativa e começa a enviar mensagens de controle de roteamento e de dados. Se um nó resolver não participar da rede, ele entra na fase adaptativa, onde é desligado por um período de tempo ou limita sua faixa de transmissão.
5.3 COMPARAÇÃO ENTRE PROTOCOLOS DE CONTROLE ORIENTADOS A LOCALIZAÇÃO COM ORIENTADOS A CONECTIVIDADE
Protocolos de controle orientado a localização obviamente exigirão algum equipamento para conhecer a localização dos nós sensores. Isto é geralmente con-seguido proporcionando aos sensores uma unidade de GPS. Como o GPS consome uma energia considerável, muitas vezes é inviável instalá-lo em todos os sensores. Assim, uma abordagem seria dotar apenas um subconjunto limitado de nós com um GPS e depois derivar a localização dos outros sensores por meio de outras técnicas que podem ser vista em [29]. Uma série de diferentes tecnologias também pode ser usada para saber a localização dos sensores que exploram as ondas de rádio ou de sons [30]. No entanto, as plataformas de sensores disponíveis, geralmente, não pos-suem hardware apropriado para adquirir a informação da localização. A partir da ar-gumentação acima se verifica que os protocolos orientados a conectividade são ge-ralmente preferíveis, uma vez que só necessitam de informações que podem ser obtidas a partir de medições locais.
Em qualquer caso, como a eficiência energética dos protocolos de contro-le da topologia está estreitamente relacionado com a densidade dos nós, o ganho realizável em termos de tempo de vida na rede depende da atual densidade da rede também. Os protocolos de controle de topologia podem dobrar, ou até triplicar, o tempo de vida da rede em relação a uma rede sem este controle [31]. Mas mesmo assim, esse valor pode não ser aceitável para muitas aplicações práticas. Para esse efeito, os protocolos de controle de topologia devem ser combinados com outros ti-pos de técnicas de conservação de energia, tais como as apresentados nas seções anteriores. Contudo, a aplicação simultânea de múltiplos sistemas de conservação de energia pode levar a consequências imprevisíveis. Embora a combinação dos
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protocolos deva ser transparente para as aplicações, na verdade, os resultados obti-dos podem ser muito diferentes do que se poderia esperar. Apesar do trabalho [32] fazer algumas explorações das interações entre protocolos, esta área de investiga-ção ainda não foi totalmente explorada ainda.
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6 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
Este trabalho aborda algumas das principais técnicas para a conservação de energia em redes de sensores sem fio ressaltando a importância de diferentes abordagens, tais como mecanismo baseados em agrupamentos de nós sensores, agregação de dados, duty cycle e abordagem orientada a dados.
Podem-se extrair observações finais sobre as diferentes abordagens para a gestão de energia. No que diz respeito às técnicas de economia de energia, um aspecto importante que tem de ser investigada mais profundamente é a integração dos diferentes mecanismos para uma solução funcional. Isto implica a caracteriza-ção das interações entre os diferentes mecanismos.
Outro aspecto interessante é que a maioria das soluções assume o con-sumo de energia do rádio é muito mais elevado do que o concon-sumo de energia decor-rente a amostragem dos dados ou para o processamento dos dados. No entanto, a fase de amostragem pode necessitar de um longo período de tempo, sobretudo se comparamos com o tempo necessário para as comunicações, de modo que o con-sumo de energia do próprio sensor pode ser muito elevado também. Assim, o domí-nio da economia de energia com abordagem orientada a dados não foi ainda total-mente explorado, de modo que não há espaço para o desenvolvimento de técnicas convenientes para reduzir o consumo de energia dos sensores.
6.1 TRABALHOS FUTUROS
RSSF têm o potencial de melhorar e mudar a forma como as pessoas in-teragem com a tecnologia. A tendência futura de uma RSSF consiste na identifica-ção de negócio real que a indústria precise. Apropriar a tecnologia de sensores para aplicações industriais irá melhorar o desenvolvimento de soluções de negócios
atu-41
almente existente. Entretanto, os projetos de uma RSSF têm de lidar com desafios em requisitos de eficiência energética.
Os conhecimentos obtidos através do desenvolvimento deste trabalho de conclusão de curso pode se propor, como possíveis trabalhos futuros:
O aprofundamento do estudo sobre a capacidade de armazenamento e processamento de dados em nós sensores, pois atualmente é muito limitado. Em vez de enviar grandes quantidades de dados não processados para a estação base, um espaço de armazenamento local sobre os nós sensores poderia ser utilizado como um banco de dados distribuído aos quais consultas poderiam ser enviadas para recuperar dados. As existentes abordagens de estruturas de dados atuais po-dem eficientemente gerenciar e armazenar os dados. No entanto, a estrutura de ar-mazenamento de dados eficiente de energia ainda é uma área aberta de pesquisa que exige otimizar vários tipos de consultas de banco de dados, tanto no que diz respeito ao desempenho e eficiência energética.
Estudar o efeito dos serviços de gestão e de controle de uma RSSF como sincronização, agregação e compressão de dados. Em uma densa RSSF, existe uma necessidade para a sincronização de tempo para toda a rede. Sincronização de tempo elimina a colisão do evento que pretende se monitorar evitando o desperdício de energia. Protocolos de sincronização de tempo são propostos como objetivo de sincronizar os relógios dos nós sensores locais na rede e reduzir a sobrecarga de energia. Uma investigação contínua deve se concentrar em minimizar os erros de incerteza durante longos períodos de tempo.
Com a geração de grandes quantidades de dados ao longo do tempo em uma RSSF, o custo da transferência de todos os dados detectados para a estação de base é dispendiosa. A compressão de dados e técnicas de agregação ajuda na redução da quantidade de dados a serem transferidos. O desenvolvimento de dife-rentes técnicas e mecanismos de compressão e agregação de dados para uma con-tínua coleta de dados numa RSSF é um tema de pesquisa desafiador.
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