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