Redes de Sensores sem Fio Projeto Integrado: MAC e Roteamento Rafael Roque Aschoff [email protected] Orientadores Eduardo Souto - [email protected] Djamel Sadok – [email protected] Grupo de Pesquisa em Redes e Telecomunicações www.gprt.ufpe.br Agenda Introdução Aplicações Desafios Características Simuladores Plataforma de Desenvolvimento Trabalhos Futuros Projeto Integrado: MAC e Roteamento Algoritmo OPER Interações X-Layer Simulação e Resultados Trabalhos futuros Introdução Evolução Tecnológica Na área de microprocessadores Novos materiais de sensoriamento Micro sistemas eletromecânicos (MEMS – Micro Eletro-Mecanical System) Comunicação sem fio Sensores Estímulo Físicos Químicos Biológicos Dentre outros Redes de Sensores sem Fio - RSSFs Grande número de nodos distribuídos Restrições de energia Mecanismos de auto-configuração e adaptação Autônomas Alto grau de cooperação Aplicações de RSSFs Podem ser homogêneas ou heterogêneas em relação aos tipos, dimensões e funcionalidades dos nodos sensores Dimensões físicas dos sensores são dependentes do tipo de aplicação Aplicação Áreas de Aplicação de RSSFs Industrial Produção Industrial Linha de Montagem Áreas de Aplicação de RSSFs Medicina Circulatory Net Monitoramento das Condições Físicas Áreas de Aplicação de RSSFs Meio Ambiente Biologia Marinha Monitoramento de Floresta Monitoramento Sísmico Desafios Aspectos dinâmicos do sistema O mundo físico é dinâmico Indisponibilidade de recursos, particularmente energia Muitos dispositivos para fazer configuração manual Projeto é fortemente dependente da aplicação Energia é restrição Pré-configuração e conhecimento global do sistema Problemas específicos Simuladores RSSFs NS-2 • • • • • • • Padrão para simulação de redes Muita documentação Utiliza OTcl e C++. Dificuldade de uso e aprendizado Suporte simulações wireless ainda incipiente Possui apenas um modelo primitivo de consumo de energia Não trabalha bem com grandes topologias Simuladores RSSFs SensorSim • • • • • • Extensão para o NS-2 Fornece modelos de bateria, modelos de rádio de propagação e modelos de canais de sensores Fornece uma leve pilha de protocolos Há suporte para simulação híbrida Dificuldade de uso e aprendizado Pouca documentação Simuladores RSSFs TOSSIM • • • • • • • Sistema Operacional baseado em componentes denominado de TinyOS Linguagem NesC – extensão ao C Gera executável para o simulador em algumas plataformas (Mica, Mica2, Mica2Dot) Fornece modelos de bateria, modelos de rádio de propagação e modelos de canais de sensores Interface – único ponto e acesso ao componente Módulos – prover o código da aplicação Configuração – conecta as interfaces e suas implementações Simuladores RSSFs TinyViz • • • • Interface gráfica para o TOSSIM com código fonte aberto em Java Conecta-se ao TOSSIM via sockets TCP Exibe os nodos participantes da simulação Possibilita criação de Plugins que interagem com a rede. Simuladores RSSFs TinyViz Plataforma de Desenvolvimento Microprocessador ATmega103L TR1000 915MHz radio Mica Main Board 128k Memória de programa 4k RAM Memória de dados 8 conversores AD 50kbps Signal Strength interface LEDS 51-pin expansion connector 2-AA for power + regulator Plataforma de Desenvolvimento Mica Sensor Board- MTS300CA/MTS310CA Light (Photo)-Clairex CL94L Temperature-Panasonic ERT-J1VR103J Acceleration-ADI ADXL202 Magnetometer-Honeywell HMC1002 Microphone Tone Detector Sounder Projeto Integrado: MAC e Roteamento OPER - (On-Demand Power-Efficient Routing Protocols) Conjunto de protocolos de roteamento para redes de sensores sem fio. OPER-PE (Path Energy-Aware) Seleção de rotas é realizada através de heurísticas que avaliam o estado energético dos nós que compõem as rotas Mensagens do OPER-PE Hello – descoberta de vizinhos Route REQuest – requisição de rota Route REPly – resposta de rota Route ERRor – erro na rota Mensagem Hello Mensagem de Requisição de Rota (RREQ) Mensagem de Resposta de Rota (RREP) Mensagem de Erro de Rota (RERR) Interações Cross-Layer A camada de roteamento e a camada MAC possuem algumas funcionalidades semelhantes: Requisitos para a bidirecionalidade do link; Podem implementam testes para bidirecionalidade; Podem implementar mecanismos de confirmação de mensagens; Podem detectar problemas no link (enlace ou rota). Propostas do trabalho atual Atualizar de forma mais rápida e precisa a tabela de vizinhança dos nós; Inferir sobre possíveis problemas de conectividade entre vizinhos. Eliminar a mensagem de Hello; Decidir se o enlace é simétrico para garantir o sucesso das transmissões de mensagens RREP. Aplicação com conhecimento de rota Simulação e Resultados Métrica de Desempenho Taxa de Entrega Número de Mensagens de Controle Energia Média Consumida Ambiente de Simulação 25, 50, 75 e 100 nós sensores estacionários e homogêneos Distribuídos uniformemente em um grid com pontos espaçados de 10 metros. Raio de Rtx= 10m. Taxa de entrega de pacotes Cenário AC sem Cross-Layer Cenário AC com Cross-Layer Cenário BC sem Cross-Layer Cenário BC com Cross-layer 1 Taxa de Entrega 0,8 0,6 0,4 0,2 0 25 50 75 Núm ero de Nós Sensores 100 Número de Mensagens de Controle Energia Consumida Trabalhos Futuros Sleep time relativo ao número de vizinhos Predição de energia Ajuste da potência do sinal Qualidade do sinal Referências I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayorci. “Wireless sensor networks: A survey”. Computer Networks, 38:393-422, March 2002 A. A. Loureiro, J. M. Nogueira, L. B. Ruiz, R. A. Mini, E. F. Nakamura, C. M. Figueiredo. “Redes de Sensores”. Minicurso, 179-226, XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores, Maio 2003 L. B. Ruiz, J. M. Nogueira and A. A. Loureiro. “Manna: a management architecture for wireless sensor network”. IEEE Communications Magazine, 41(2):116-125, Feb 2003 S. Park, A. Savvides and M. B. Srivastava, "Simulating Networks of Wireless Sensors“ to appear in the proceedings of the 2001 Winter Simulation Conference SensorSim: A Simulation Framework for Sensor Network. http://nesl.ee.ucla.edu/projects/sensorsim IEEE1451. Smart transducer interface for sensors and actuators. http://standards.ieee.org, 2003 JPL Sensor Webs. http://sensorwebs.jpl.nasa.gov, 2003 WINS: Wireless Integrated Network Sensors. http://www.janet.ucla.edu/WINS/ , 2003 S. Cui, A. J. Goldsmith, and A. Bahai, “Modulation optimization under energy constraints” at Proceedings of ICC’03, Alaska, U.S.A, May, 2003. S. Singh and C. Raghavendra, “Power efficient MAC protocol for multihop radio networks,” in The Ninth IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 1998, pp. 153–157. Dúvidas ? Grupo de Pesquisa em Redes e Telecomunicações www.cin.ufpe.br/~gprt