Um Estudo sobre a Otimização do Protocolo de Roteamento para Redes de Sensores Sem Fio PROC

Um Estudo sobre a Otimização do Protocolo de

Roteamento para Redes de Sensores Sem Fio PROC

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Laboratório de Redes e Sistemas Distribuídos e Multimídia (LORDI) Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (UERN)

²Laboratório de Engenharia de Software (LES) Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (UERN)

{cleilsoncgb,josewilkerm,rommel.lima,jomarferreira.s, pedro.fernandes2503}@gmail.com

Abstract. Routing protocols for Wireless Sensor Networks (WSN) have high

relevance therefore allow optimization of energy consumption of sensor nodes, increasing the lifetime of the network. This work presents a routing protocol for WSN via adaptive implementation rules, called PROC (Proactive ROuting with Coordination). The study is based on the modification of existing code and comparisons with the new codes obtained for this purpose using the Network Simulator (NS-2).

Resumo. Os protocolos de roteamento para Redes de Sensores Sem Fio

(RSSF) possuem elevada relevância, pois possibilitam a otimização do consumo de energia dos nós sensores, aumentando a vida útil da rede. Este trabalho apresenta um protocolo de roteamento para RSSF adaptável via regras de aplicação, chamado PROC (Proactive ROuting with Coordination). O estudo baseia-se na modificação do código existente e em comparações com os novos códigos obtidos, utilizando para esta finalidade o Network Simulator (NS-2).

1. Introdução

As Redes de Sensores sem Fio (RSSF) são uma tecnologia emergente que surgiu para possibilitar atividades de monitoramento, estendendo a capacidade humana de observar fenômenos. Estas redes possuem um elevado potencial para diferentes aplicações, entre elas, o monitoramento de áreas inóspitas ou de difícil acesso, tais como oceanos, desertos, florestas ou áreas industriais.

As RSSF são formadas por elementos denominados de nós sensores ou sensores inteligentes, que são pequenos dispositivos compostos de sensores, processador, transceptor (dispositivo que une transmissão e recepção), memória e bateria. Quando uma RSSF é implantada, seus dispositivos coletam dados sobre o ambiente através dos sensores, que podem ser dos mais variados tipos, tais como acústicos, sísmicos, de temperatura e pressão. Os dados coletados são processados pelo processador, através dos aplicativos que ficam armazenamos na memória, onde ainda se encontram o Sistema Operacional e os demais aplicativos, como protocolos de roteamento. Os dados podem ser enviados para outros nós da rede, bem como podem ser recebidos, através do transceptor, mas além de coletar dados, é possível que alguns nós realizem o papel de

atuadores, sendo capazes de realizar intervenções no ambiente. A energia necessária para manter os nós sensores ativos é provida pela bateria.

O compartilhamento de dados entre os nós das RSSF pode ser realizado considerando um esquema single-hop (salto único) ou um esquema multi-hop (multi-saltos). No caso do single-hop a comunicação entre sensores é realizada entre seus vizinhos diretos. Já no multi-hop, a comunicação é realizada não entre os vizinhos diretos, mas entres os vizinhos que estão há alguns saltos de distância. A ideia no envio dos dados entre os nós sensores é fazer com que os dados cheguem ao observador da rede, que é quem está interessando no monitoramento do fenômeno para o qual a rede foi criada. Para isso, existem nas RSSF elementos denominados sorvedouros, que são nós que recebem os dados coletados por outros nós, de forma a agrupá-los. Outro elemento importante são os gateways (ou pontos de acesso), que são nós que permitem a conexão da RSSF com outras redes. A determinação de qual rota os dados irão seguir até chegar ao observador da rede é determinada pelos protocolos de roteamento.

Os dispositivos que compõem as RSSF possuem recursos limitados, como a energia. Os sensores são alimentados por baterias e, portanto, após a implantação da rede, pode tornar-se inviável a troca destas. E diminuir o consumo de energia é um objetivo primordial para os protocolos de roteamento. Assim, nos últimos anos, têm surgido inúmeras propostas de protocolos voltados para a eficiência energética [Carvalho 2008], [Porto 2010] e [Freitas 2008], como o PROC.

As RSSF utilizam protocolos de roteamento seguindo a mesma abordagem das outras redes sem fio, embora seja necessário realizar modificações para adaptar o algoritmo de roteamento às limitações dos recursos existentes nos dispositivos sensores, como nas redes sem fio de um modo geral. Os protocolos de roteamento para RSSF podem ser categorizados quanto à forma que atualizam e divulgam suas tabelas de roteamento, sendo classificados em reativos, pró-ativos ou híbridos, [Carvalho 2008].

A implantação das RSSF para a realização de estudos pode torna-se inviável devido ao seu alto custo, e para contornar esse obstáculo, são utilizados os aplicativos simuladores. Nesse trabalho, foi utilizado o simulador NS-2 (Network Simulator – 2) que é um simulador de eventos utilizado para pesquisas na área de redes. Ele provê apoio substancial para simulação de protocolos como o Transmission Control Protocol (TCP), roteamento, e multicast em redes com e sem fio. O simulador NS-2 foi desenvolvido em C++ e dispõe de uma interface para simulação por meio da linguagem OTcl, um dialeto do Tcl orientado a objetos.

Existem alguns protocolos de roteamento para RSSF implementados para o NS-2. Neste trabalho foi utilizado o Proactive ROuting with Coordination (PROC) [Macedo 2006], que está sob licença GNU Lesser General Public License (GPL) e apresenta uma implementação para NS-2 e para TinyOS.

2. Roteamento em Redes de Sensores Sem Fio

Uma das principais funções da camada de rede em uma RSSF é prover o serviço de roteamento, pois, é através deste serviço que a rede consegue identificar o destinatário das mensagens e encontrar o caminho que será percorrido pelos dados entre a origem e o destino desta mensagem.

Nas RSSF existem dois tipos de roteamento, plano e o hierárquico. No roteamento plano, os nós são iguais quanto ao ponto de vista funcional, sendo a atividade de roteamento tratada de forma idêntica por todos os nós da rede. Já no roteamento hierárquico, são estabelecidas classes distintas de nós: nós fontes e líderes de grupo (Cluster heads), onde os nós fontes apenas coletam e enviam os dados para o líder de seu grupo, que pode executar uma fusão/agregação destes dados antes de enviá-lo ao ponto de acesso.

Existem vários protocolos empregados no roteamento das RSSF, que visam dentre outras coisas, soluções para o consumo de energia e o aumento na performance da rede. Em [Freitas 2008] são apresentadas duas estratégias de algoritmos para roteamento das RSSF: com energia mínima, que conserva a energia, aumentando o tempo de vida da rede e o roteamento com mínimo de saltos, que visa minimizar o atraso de roteamento fim-a-fim na rede.

Alguns exemplos de protocolos de roteamento para RSSF são:

• PROC – Protocolo baseado na construção de backbones de roteamento, projetado para redes de disseminação de dados contínuos [Macedo 2006];

• ZigBee – Utiliza uma estratégia mista de roteamento em árvore e o protocolo Ad hoc On-demand Distance Vector (AODV) [ Zheng and Lee 2006];

• Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) – Protocolo para redes homogêneas que visa reduzir o consumo de energia. Utiliza ciclos durante os quais são formados agrupamentos de nós, denominados clusters, onde um nó é adotado como líder [Heinzelman, Chandrakasan and Balakrishnan 2000].

3. O protocolo PROC

O PROC é um protocolo para RSSF, utilizado em redes de disseminação contínua de dados, que permite interação entre a aplicação e o protocolo de roteamento, melhorando o seu desempenho em comparação com outros protocolos de roteamento [Macedo 2006].

A topologia da rede consiste no formato de árvore, tendo o Ponto de Acesso (PA) como raiz, nós coordenadores como a junção dos galhos e por fim os nós folhas em suas extremidades. Os dados que são coletados pelos nós sensores são enviados para o PA através do backbone. Para a construção do backbone, os nós utilizam-se de informações que são repassadas por seus vizinhos, e que são obtidas das mensagens de controle do roteamento que contêm o estado do nó emissor.

A construção do backbone é feita em duas partes. Na primeira parte denominada de eleição dos coordenadores, cada nó executa uma rotina para verificar se atuarão ou não como coordenador. Na segunda parte, denominada de complementação do backbone, os nós coordenadores podem indicar outros nós para se integrarem ao backbone, caso este não esteja completamente formado. A Figura (1) mostra o procedimento de formação do backbone, no item “a” ocorre a eleição dos nós que irão compor o backbone, no item “b” a complementação do backbone e no item “c” o backbone completo.

Figura 1: Processo de criação do backbone. Fonte: [Macedo 2006]

Durante as atualizações dos nós coordenadores, as tabelas de roteamento são atualizadas, com o objetivo de adequar a rede às mudanças que podem existir na topologia.

O protocolo PROC foi projetado para ser portável, sendo possível implementá-lo em aplicações desenvolvidas para o TinyOS, pois o mesmo mantém a mesma estrutura e interfaces do protocolo de roteamento padrão utilizado na maioria das aplicações desenvolvidas para RSSF.

3. Simulação do ambiente

O ambiente de simulação da aplicação consiste em uma rede homogênea, composta por nós sensores com configuração próxima aos nós sensores da família Mica 2, rodando o sistema operacional TyneOs, como descreve [Macedo 2005]. A aplicação simulada possui as características de tráfego semelhantes à RSSF utilizada na ilha de Great Duck [Mainwaring 2002], que estuda o comportamento do ecossistema e das aves que nele habitam.

A topologia simulada consiste em uma rede de nós estacionários, dispostos em uma área retangular, com 50 a 200 nós localizados em posições aleatórias seguindo uma distribuição uniforme, com o PA sempre localizado em um dos vértices da área simulada, maximizando a largura da rede.

Para esta simulação foi utilizado a ferramenta NS–2, assim como os códigos fontes disponíveis em [Macedo 2006], os quais foram confrontados com as propostas de otimização apresentadas por [Carvalho 2008; Freitas 2008; Porto 2010].

4. Resultados

As modificações propostas ao protocolo PROC por [Carvalho 2008; Freitas 2008; Porto 2010] estão relacionadas às regras de aplicação para eleição de nós coordenadores. A primeira modificação foi a fixação da probabilidade mínima para a eleição de um nó comum em coordenador em 50%, deixando de ser aleatória que pode ser encontrada em [Carvalho 2008]. Outra modificação foi inserir uma quarta regra de aplicação, que dá maior probabilidade de eleição para os nós sensores com maior energia residual, e que foi proposta por [Carvalho 2008]. Também é proposta por [Freitas 2008] a criação de uma nova regra para realizar uma checagem um salto a frente, para verificar se existe um nó coordenador ou não, com mais energia que os verificados pela regra anterior e caso seja verdade eleger o nó como coordenador e pai.

Vale salientar que durante o desenvolvimento do trabalho, observou-se que algumas das propostas apresentadas em [Carvalho 2008; Freitas 2008; Porto 2010], possui bastante semelhança, como é o caso das propostas de [Freitas 2008; Porto 2010] que possuem modificações iguais às apresentadas por [Carvalho 2008] onde as propostas apresentadas por [Porto 2010] não diferem em nada das apresentadas por [Carvalho 2008]. Já as modificações propostas [Freitas 2008] apenas diferem das apresentadas por [Carvalho 2008] na ultima proposta referenciada acima.

A partir das modificações propostas por [Carvalho 2008; Freitas 2008; Porto 2010], foi possível visualizar um considerável ganho de energia, onde algumas aplicações representaram um ganho médio em torno de 5% como mostra a Tabela (1) como no caso das alterações proposta por [Porto 2010]. Vale ressaltar que esta economia energética refere-se à rede como um todo. É importante destacar também que estudos mais detalhados acerca dos nós que estão mais próximos ao ponto de acesso, devem ser realizados, a fim de verificar se as otimizações propostas não sobrecarregaram os nós sensores, diminuindo assim a vida útil da rede.

Tabela 1: Economia de energia com as otimizações em percentagem

Durante o estudo do protocolo, foi possível verificar também que, devido às limitações do Medium Access Control (MAC), que limita a taxa de transmissão de dados a 12kbps, as simulações acima de 200 nós tornam-se congestionadas, uma vez que a degradação da rede em métricas de taxa de entrega e atraso aumenta de forma proporcional ao aumento do número de mensagens. Como alternativa a este problema sugere-se a implementação do PROC com protocolo MAC IEEE 802.15.4.

Modificações posteriores podem explorar a criação de novas regras de aplicação, como também utilizar em conjunto, mecanismos baseados em redes neurais, a fim de otimizar a criação das rotas no qual os dados trafegam. Fica aberta também a possibilidade de criação de novos ambientes de simulação, com novas características, de modo a verificar o comportamento do protocolo em ambientes distintos.

5. Referências

Macedo, D. F. (2006). “Proc - Proactive Routing with Coordination”. UFMG Instituto de Ciências Exatas Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação. Belo Horizonte, Março.

Macedo, D. F., Correia1, L. H. A., Santos, A. L., Loureiro, A. A. F. and Nogueira, J. M. S. (2005). “Um Protocolo de Roteamento Configurável Baseado em Regras para Redes de Sensores Sem Fio”. Anais do 23º Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores (SBRC 2005), Fortaleza, CE, Maio.

NS-2 (2010). “The Network Simulator-2”, http://www.isi.edu/nsnam/ns/, Setembro. Ruiz, L. B., Loureiro, A. A. F. and Nogueira, J. M. S. (2003). “Functional and

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Carvalho, C. G. N. (2008). “Adaptação de Protocolo de Roteamento para Redes de

Sensores Sem Fio”,

http://www.marvinlemos.net/download/arquivo/123/roteamento_wsn_proc_giovanni. pdf, Setembro.

Porto, L. L. (2010). “Proposta de Otimização do Protocolo PROC para Roteamento em Redes de Sensores Sem Fio”. Universidade do Estado do Rio Grande do Norte – UERN - Natal.

Freitas, F. G. (2008). “Otimização de um Protocolo de Roteamento Pró-ativo para WSN com Propagação Contínua”. Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – URI – Campus de Santo Angelo, Dezembro.

Zheng, J. and Lee, M. J. (2004). “Will IEEE 802.15.4 make ubiquitous networking a reality?: a discussion on a potential low power, low bit rate standard”. IEEE Communication Magazine, 42(6):277 – 288, June.

Mainwaring, A., Polastre, J., Szewczyk, R., Culler, D., Anderson, J. (2002). “Wireless

Sensor Networks for Habitat Monitoring”,

http://www.cs.berkeley.edu/~culler/papers/wsna02.pdf, Agosto.

Zheng, J. and Lee, M. J. (2006). "A comprehensive performance study of IEEE 802.15.4", Sensor Network Operations, IEEE Press, Wiley Interscience, Chapter 4, pp. 218-237.

Heinzelman, W. R., Chandrakasan, A. and Balakrishnan, H. (2000). “Energy-effcient communication protocol for wireless microsensor networks”. In Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences.