Wireless Underground Sensor Networks

Wireless Underground Sensor Networks ^(WUSN)

Seminário de Computação Móvel Wellington Baltazar de Souza

Mestrando Ciência da Computação

WUSN – Agenda

1. Introdução

2. Aplicações

3. Desafios a serem Resolvidos 1. Design da Topologia

2. Design da Antena

4. Canal de Comunicação Subterrâneo

5. Arquitetura de Comunicação

WUSN – Introdução



Redes sem fio de Sensores Subterrâneos



Utilizados para monitorar diversas condições subterrâneas, tais como propriedades do solo, substâncias tóxicas, etc;



Os dispositivos devem ser autônomos (sem fios, com todos os sensores necessários, memória, processador, antena e fonte de energia);



O deployment (implantação/instalação) deve ser simples

WUSN – Introdução …



A comunicação sem fio é realizada em substância densa tais como solo ou rocha (substancialmente mais desafiante que a transmissão de dados pelo ar);



Preocupação com a de enconomia de enegria (dispositivos autônomos);



Os protocolos de comunicação devem passar por ajustes de design para funcionar de maneira mais eficiente possível;

WUSN – Introdução …

Sensor Subterrâneo Data Logger

WUSN – Aplicações



Na Agricultura são usadas para medir diversas condições do solo tais como:

 Umidade (quantidade de água) e nível de nutrientes para a quantidade exata de irrigação e fertilização (adubação);

 Medir a atividade biológica para controle de pragas e doenças (usar agrotóxicos somente quando

necessário);



Em jardins (escondidos) para controle individual de plantas (um sensor por planta) para controle de

umidade e fertilidade do solo;

WUSN – Aplicações …



Em campos de esporte (escondidos) tais como futebol, golf, tênis, etc, para medir o nível de

compactação do solo para garantir o crescimento saudável da grama;



No meio ambiente, para monitorar a presença de substâncias tóxicas no subsolo tais como chumbo, mercúrio, etc;



Medir intensidade de terremotos (acoplados com sismômetros);

WUSN – Aplicações …

 Para monitorar a infraestuturas subterrâneas tais como encanamentos de água e oleodutos, gasodutos, etc;

 Monitorar a saúde estrutural de pontes, prédios (os podem ser embarcados em peças chave dos

componentes estruturais);

 Medir o risco de deslizamentos e desabamentos em região de encostas de modo a permitir a sinalização e/ou evacuação da área em tempo hábil;

 Medir a qualidade do solo em minas de carvão para evitar desabamentos, bem como para monitorar a

quantidade de monóxido de carbono e outros gases que possam causar explosão das minas;

WUSN – Aplicações …



Uso em conjunto com WSN para monitoramento de erupções vulcânicas;



Em aplicações militares, para minas anti-tanque, possibilitando uma forma de auto-desarmamento ou acionamento em campos minados;



Patrulhamento de Fronteiras para evitar imigração ilegal;



Monitoramento de Áreas Rurais que necessitem de maior segurança;

WUSN - Desafios



Desejável que permaneçam funcionais por muitos anos. A vida útil depende da fonte de energia, pois devem ser auto-contidos (auto-suficientes);



Requer maior potência que os sensores de

superfície, assim a conservação de energia deve ser a preocupação primária de design;



Manutenção e substituição de equipamentos é

mais difícil que os sensores de superfície, tornando a substituição da fonte de energia mais custosa ou impossível;

WUSN – Desafios …



Não é possível o uso de células solares como no caso dos sensores de superfície para fornecer energia;



Existem algumas opções de fontes alternativas de energia, como por exemplo abalos sísmicos,

variação da temperatura da terra;



Problema: normalmente não fornecem a energia suficiente para o funcionamento dos dispositivos de maneira satisfatória;

WUSN – Desafios …



Existem pesquisas para chegar ao estado da arte na geração de energia em meios não convecionais (solo, rocha);



Os autores descrevem como obter energia a partir do sinal de rádio, conversão termoelétrica, e

vibração/excitação do meio;

WUSN - Desafios …



A principal preocupação para garantir maior vida útil para estes dispositivos é a fonte de eneriga;



Se o equipamento for implantado com uma carga de energia considerável, e com suporte para

aproveitar fontes alternativas de energia melhoraria bastante a vida útil do equipamento



Mas, não é desejável, pois aumentaria o tamanho e os custos do equipamento;

O Design da Topologia



O design da topologia da rede também é um fator crítico, pois deve ser projetado para consumir

pouca energia, levando em conta o esforço de implantação (dificuldade de escavação,

profunidade);



Topologias tridimensionais serão bastante comuns, com dispositivos implantados em diferentes

profundidades dependendo das necessidades de sensores da aplicação;

O Design da Topologia …



A aplicação terá um papel muito importante no design da topologia, entretanto, a minimização do uso de energia e o custo de implantação também deverão ser considerados;



Para encontrar um ponto ótimo na topologia será necessário balancear estas variáveis;

O Design da Topologia …



A quantidade de sensores e profundidade de implantação vai depender do tipo de aplicação;



Aplicações de segurança (monitoramento) necessitam de uma concentração maior de sensores;



Aplicações para monitoramento das condições do solo não necessitam de grande precisão para

pequenas áreas, assim, podem ser implantados mais dispersos;

O Design da Topologia …



A economia de energia pode ser alcançada com um design inteligente da topologia, pois a atenuação de sinal é proporcional à distância entre o

transmissor e o receptor;



Uma topologia com maior concentração de

sensores irá incrementar a quantidade de saltos, mas de pequena distância, ao passo que sensores dispersos necessitarão realizar grandes saltos;

O Design da Topologia …



O custo de implantação dos sensores subterrâneos são muito acima dos sensores de superfície, pois envolvem escavações;



Além disso, envolve um custo adicional quando acaba a fonte de energia, envolvendo troca de baterias ou do dispositivo (sensor);



O fator custo de implantação indica que devemos minimizar a quantidade e profundidade de

implantação. No entanto devemos estabelecer um trade-off com a estratégia de aumentar a

densidade de sensores para economia de energia;



.

O Design da Topologia …



Com as considerações já vistas em mente,

podemos sugerir duas topologias para WUSN;

Topologia Subterrânea

O Design da Topologia …

Topologia Híbrida

O Design da Topologia …



A topologia híbrida é um mix de sensores

subterrâneos, repetidores (opcional) e surface sink fixo ou móvel.



Os sinais podem ser propagados pelo ar,

diminuindo as perdas através do solo, pois diminui a quantidade de hops necessários na rede

subterrânea;



Ocorre menor desperdício de energia para

transmissão de dados comparando com topologia subterrânea;

O Design da Antena



Requisitos Variáveis: Dependendo do tipo do dispositivo a comunicação pode variar de

propósito. Nesse sentido, requer antenas com diferentes características.



Dispositivos mais próximos à superfície irão agir como transmissores dos dispositivos mais

profundos para a superfície;



Os sensores implantados com maiores

profundidades precisam agir como repetidores tanto na direção vertical como na horizontal;

O Design da Antena



O tamanho da antena pode variar dependendo da frequência em MHz. Baixas frequências necessitam de uma antena maior para transmitir os dados de maneira eficiente.



Ex: 100 MHz necessita de uma antena de 0,75m (quarter-wavelength)



Claramente este é um desafio para as Redes sem fio subterrâneas se precisarmos manter os

dispositivos pequenos;

O Design da Antena



Orientação da Direção: Futuras pesquisas deverão se identificar se é mais adequado utilizar uma

antena multi-direcional ou um grupo de antenas direcionais independentes para dispositivos WUSN.



A comunicação com uma única antena multi-

direcional provavelmente será um desafio, pois os dispositivos poderão ser implantados em diferentes profundidades e a experiência ainda é nula de

como será a radiação em cada extremidade;



Isto implica que com uma orientação vertical os dispositivos devem ser emparelhados (vertical e horizontalmente);

Ambiente Hostil



O ambiente subterrâneo está longe de ser um local ideal para dispositivos eltrônicos: Água,

temperaturas extremas, animais, insetos e escavações;



Os dispositivos devem resistir a todos estes fatores, além disso devem ser pequenos;



A tecnologia para fornecimento de energia deve ser escolhida cuidadosamente levando em conta as

variações de temperatura no ambiente da implantação e balanceando tudo isso com o tamanho ideal (pequeno se possível);

O Canal de

Comunicação Subterrâneo



O canal de comunicação é um dos fatores que tornam o uso de Rede sem fio Subterrâneas um desafio;



Emobra a comunicação digital subterrânea pareça ser inexplorada, a propagação de ondas EM no solo e rocha tem sido estudada extensivamente por

radares longo alcance;



Nesta sessão teremos um overview descrevendo as propiedados do canal eletromagnético subterrâneo, os efeitos das propriedades do solo sobre este

canal;

Propriedades do canal Subterrâneo



Embora haja estudos da propagação de ondas eletromagnética, um modelo compreensivo de canal subterrâneo ainda não existe;



Foram identificados 5 principais fatores que podem trazer impactos nas ondas EM da comunicação

subterranea:

 Grande perda de sinal (composiçao do solo)

 Reflexão e Refração (divisa entre solo e ar)

 Multi-Path fading (dispersão >> próximo superfície)

 Velocidade de Propagação reduzida (comparando ar)

 Ruído (linha elétrica, luz, motores elétricos, etc);

Propriedades do canal Subterrâneo



A composição do solo incluindo água, tamanho das partículas, densidade temperatura, tudo combina para formar uma constante dielétrica X;



Este parâmetro afeta direatamente a atenuação de qualquer sinal eletromagnético passando pelo solo;



A água no solo é de longe o parâmetro mais

significante a ser considerado quando se fala em perda de sinal através do solo

Propriedades do canal Subterrâneo



Os solos são classificados pelo diâmetro das partículas. Solos arenosos produzem menores perdas que os argilosos;



Solos densos também autmentam as perdas por atenuação.



Aumentando a temperatura do solo também fará com que ocorra maior perda de sinal;

Propriedades do

canal Subterrâneo

Alternativas de tecnologias para a camada física



Uma possível alternativa às ondas EM para

comunicação subterrânea é a Indução Magnética (IM), podendo trazer diversos beneficios:



Mídias densas como por exemplo o solo e a água causam pouca variação na taxa de atenuação de campos magnéticos (contrário do que ocorre no ar)



Detectores de presença podem acionar qualquer receptor ativo via carga induzida de uma bobina;



IM resolve o problema de design da antena, pois a transmissão e recepção podem ser feitos por uma bobina;

Alternativas de tecnologias para a camada física



Outra alternativa para as ondas EM são as ondas sísmicas. A comunicação via ondas sísmicas foi

demonstrada com sucesso tanto em solo como em rocha em distâncias de ~ 1 Km;



Problemas: Frequências de ondas sísmicas podem afetar o ar, e gerar ondas sísmicas gasta muita

energia;

Arquitetura de

Comunicação

Arquitetura de Comunicação



A camada física de comunicação representa um desafio importante para WUSNs, pois propagar ondas através do solo causa muitas perdas,

principalmente em solos contendo água;



Outro desafio importante é o uso de uma antena eficiente, que consiga receber e transmitir dados em um meio como o solo;



Indução Magnética e Ondas Sísmicas podem

ajudar a criar uma camada física combinando com o que já existe;



Falta mais pesquisas …

Arquitetura de Comunicação



Os protocolos MAC existentes para a Camada Data Link são inadequados, estes protocolos foram

projetados para uso em redes sem fio terrestres.



Para melhorar a vida útil dos dispositivos, o número de transmissões deve ser minimizado;



Colisões causam retransmissões, assim o uso de um protocolo RTS/CTS introduz um overhead

muito alto;



O esquema baseado em TDMA para eliminar as colisões criam um timeslot, mas também tem um overhead alto para as WUSN;

Arquitetura de Comunicação



Os sensores irão notificar dados com pouca frequência, assim podem operar com baixo

consumo de energia, mas grandes períodos de tempo de inatividade pode prejudicar o

sincronismo da rede;



Por natureza estes dispositivos possuem restrições com o consumo de energia, no entanto ocorrem

altas taxas de erros na transmissão de dados;



No entanto, a retrasmissão de pacotes pode introduzir overhead com os acknowledgements.



>> é preciso mais pesquisas …

Arquitetura de Comunicação



Os protocolos de Redes Ad-hoc geralmente se dividem em três categorias:

 Proativas (overhead de sinais para manter rotas)

 Reativas (overhead de sinais para manter rotas)

 Geográficas (mais apropriada para WUSN, coordenadas já são conhecidas)



Em uma rede híbrida, o consumo de energia pode ser melhor aproveitado;



Pesquisar >> maximizar a economia de enrgia …

Arquitetura de Comunicação

 Na Camada de transporte, com as altas taxas de perda o canal é necessário re-examina-la;

 O objetivo principal é salvar os recursos escassos do sensor e melhorar a eficiência da rede;

 Um bom protocolo de transporte deverá ser capaz de identificar corretamente eventos do sensor na rede;

 Controle de congestionamento, controle de fluxo, tudo isso com recursos de memória limitados para transmissão de dados;

 A maioria das implementações de TCP são

inadequados para as WUSN, pois o controle de fluxo é baseado em um mecanismo de janela;

Arquitetura de Comunicação



Não utilizando um mecanismo baseado em janelas, mas ainda ter um controle de mensagens que

pode se adaptar a taxa de transmissao;



Pesquisas em aberto para encontrar alternativas para a camada de transporte;

Por enquanto é só!!!