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Redes de Sensores

Gilberto Zonta Pastorello Jr.

MO818 – Tópicos em Redes de Computadores IProf. Edmundo R. M. Madeira

Instituto de Computação – UNICAMP20 de Setembro de 2005

Organização da Apresentação

● 1) Introdução

▪ Visão Geral

▪ Aplicações

● 2) Arquitetura(s)▪ Hardware

▪ Rede: Protocolos

● 3) Aspectos de Redes de Sensores

▪ Rastreamento

▪ Sincronização temporal

▪ Aquisição e Processamento de Dados (Fusão de dados)

▪ Gerenciamento de Energia

▪ Segurança, Confiabilidade e Tolerância à Falhas

▪ Implementação de Redes de Sensores

◦ Distribuição de sensores◦ Auto-organização

● 4) Conclusões

Roteiro

● 1) Introdução● 2) Arquitetura(s)● 3) Aspectos de Redes de Sensores● 4) Conclusões

Introdução: Definições● Sensores: Móveis ou estáticos● Rede: Manual, Wired ou Wireless

● Siglas:

▪ SN: Redes de sensores (Sensor Networks)▪ WSN: Redes de sensores sem fio (Wireless)

● Hits no Google (Ago/2003 –> Set/2005):▪ Sensor networks: ~26,000 –> ~10,200,000

▪ Wireless sensor networks: ~8,000 –> ~3,120,000

▪ Britney Spears: ? –> ~15,500,000

Introdução: Definições

● Sensor:

Dispositivo capaz de realizar medições de variáveis físicas em um ambiente

● Sinais físicos: calor, luz, som, pressão, campo magnético, umidade, presença (ou ausência) de determinado elemento químico, etc.

● Funções de processamento de sinais: geração de dados (conversor analógico/digital)


● “Espectro” de Sensores

Redes de sensoresSatélites

Poucos, grandes e caros.

Grandes capacidades de sensoriamento e

comunicação

Muitos, pequenos e baratos.

Reduzidas capacidades de sensoriamento e

comunicação

DataLoggers,Controladores de tráfego,

Ad-hoc GatewaysEtiquetas

RFID

Introdução: Definições● Redes de Sensores:

Conjunto de sensores capazes de comunicação com outros sensores e/ou com nós controladores

▪ Pequenos sensores + computadores de baixo consumo de energia + rádio-transmissor/receptor + fonte de energia

● Características:▪ Capacidade de auto-organização

▪ Comunicação de curto alcance broadcast e roteamento multihop

▪ Alta densidade e cooperação entre os nós sensores

▪ Topologia com mudanças freqüentes (fading e falhas nos nós)

▪ Limitações em energia, potência de transmissão, memória e poder computacional


● Arquitetura genérica para redes de sensores Servidor

de Rede deSensores

EstaçãoBase

EstaçãoBase

Nós Sensores

Rede

Introdução: Visão Geral

● Classificação de redes de sensores sem fio:▪ Distância da estação base (processamento)

◦ Single hop (non-propagating) / multihop (propagating)

▪ Dependência (processamento+transmissão) de dados◦ Agregador / não-agregador

▪ Distribuição dos sensores◦ Determinística / dinâmica

▪ Esquema de controle◦ Auto-configurável / Não auto-configurável

▪ Domínios de aplicação◦ Diversos

Introdução: Visão GeralWSNs

Número de nós Grande; centenas – milhares Pequeno a médio

Densidade de nós Alta Relativamente baixa

Redundância de dados Alta Baixa

Suprimento de energia

Taxas de dados Baixas; 1 – 100Kbps Alta

Mobilidade dos nós Baixa Pode ser alta

Direção de fluxos Predominantemente unidirecional Bidirecional

Natureza de consultas Baseadas em atributos Baseadas em nós

Broadcast Nó a nó ou broadcast

Endereçamento Sem ID global único ID global único

Pode ser tão baixo quanto 1% Alto

Ad Hoc sem fio

Não-recarregável; baterias insubstituíveis

Recarregável e/ou baterias subtituíveis

Encaminhamento de pacotes

Muitos para um(centrado em dados)

Fim-a-fim(centrado em endereço)

Disseminação de consultas

Ciclo de atividade (duty cicle)

Introdução: Aplicações● Engenharia em geral

▪ Automotiva: sensores em automóveis (dirigibilidade, tráfego, etc.)

▪ Teclados virtuais: usando sensores nas pontas dos dedos

▪ Monitoramento e manutenção de indústrias: sensores no ambiente e robôs equipados com sensores e atuadores

▪ Redução de força de resistência do ar em aviões

▪ Escritórios inteligentes: luz, temperatura, movimento, acionamento por voz, etc.

▪ Rastreamento de mercadorias

▪ Rastreamento de containers e caixas

▪ Estudos sociais/comportamentais: sensores “acoplados” a pessoas

▪ Segurança comercial e residencial

Introdução: Aplicações● Agricultura e Monitoramento Ambiental

▪ Agricultura de precisão: gerenciamento de safras e controles de solo

▪ Exploração planetária: ambientes inóspitos

▪ Monitoramento geofísico: atividades sísmicas

▪ Monitoramento de fontes de água

▪ Estudos de espécies: comportamento de grupo, migração, etc.

▪ Monitoramento de habitat: controle de qualidade ambiental

▪ Detecção de desastres: inundações e incêndios

▪ Transporte de cargas contaminantes: medição de níveis de exposição

Introdução: Aplicações● Engenharia Civil

▪ Monitoramento de estruturas: detecção de falhas estruturais (pontes, barragem, etc.)

▪ Planejamento urbano: concentração de CO2 e umidade do ar para determinar novas rotas

▪ Auxílio em desastres: detecção de sobreviventes

● Saúde e cirurgias

▪ Sensoriamento médico: medições fisiológicas (temperatura do corpo, pressão sanguínea, proliferação de organismos, etc.)

▪ Micro-cirurgias: conjunto de robôs executando cirurgias precisas e pouco invasivas

Introdução: Aplicações● Aplicações militares

▪ Monitoramento e gerenciamento de recursos

▪ Vigilância e monitoramento de campos de batalha

▪ Engajamento urbano: prevenção de reocupação, controle “amigo/inimigo”, localização (por acústica) de invasor, etc.

▪ Proteção: edifícios cercados a longas distâncias por sensores, detecção de armas químicas e biológicas, etc.

▪ Campos de minas auto-organizados: baseados na localização e movimentação inimiga

Roteiro


Arquitetura

● Hardware▪ Componentes de um sensor

● Rede▪ Como sensores se comunicam▪ Ou pilha(s) de protocolos para WSN

Arquitetura: Hardware

● MEMS (MicroElectroMechanical System)


s0 s1 s2 s3 s4

s5

s6

Estado do Nó MCU Memória Sensor A/D Radio

s0 off off off off offs1 sleep sleep sleep off offs2 standby sleep sleep on offs3 observando sleep sleep on Rxs4 pronto idle sleep on Rxs5 recebendo ativo ativo on Rxs6 transmitindo ativo ativo on Tx


● University of Michigan:▪ Temperatura, pressão, umidade, posição


● Cornell University▪ Acompanhamento de baleias


● UC Berkeley▪ Smart Dust▪ TinyOS▪ Aplicações diversas


● Intel Corp.▪ Arquitetura XScale▪ Bases para WSN

Arquitetura: Rede

● Muitas propostas▪ Algumas “proprietárias”

● Propostas se sobrepõem parcialmente● “Fusão” de camadas

▪ Falta de flexibilidade e sub-otimalidade▪ Eficiência de energia

◦ Pricipalmente MAC (Medium Access Control) e roteamento

Arquitetura: Rede

● Camada física● Camada de enlace

▪ Subcamada MAC● Camada de rede

▪ Roteamento● Camada de transporte● Camada de aplicação

Arquitetura: RedeCamada Física

● IEEE 802.15.1▪ Wireless Personal Area Network (WPAN) – Bluetooth

● IEEE 802.15.4:▪ Low-Rate Wireless Personal Area Network

(LR-WPAN) – ZigBee

● IEEE 802.11▪ Wireless Local Area Network (WLAN) – WiFi

● Espalhamento de freqüência● Saltos de freqüência● Consideração: Consumo de energia

Arquitetura: RedeCamada de Enlace

● Acesso ao meio▪ Subcamada MAC

● Controle de erros▪ Quantidade suficiente de erros (wireless)

Arquitetura: RedeSubcamada MAC

● SN: multihop, auto-organizável e densas● TDMA (Time Division Multiple-Access)

▪ SMACS (Self-organizing MAC for Sensor networks)◦ Nós 'acordam' em tempos pré-definidos (custo de sincronização)

● Híbrido TDMA/FDMA (Frequency Division MA)▪ Transmissor consome mais energia: TDMA

▪ Receptor consome mais energia: FDMA

● CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

▪ CSMA tradicionais são ruins (tráfego 'mal' distribuído)

▪ Listening e backoff bem calibrados dão bons resultados

● Polling (elemento central autoriza transmissão)

Arquitetura: RedeControle de Erros

● ARQ (Automatic Repeat Request)▪ Baseado em retransmissão (com custo e

overhead associados)● FEC (Forward Error Correction)

▪ Complexidade de decodificação (custo de processamento)

▪ Adaptável à aplicações específicas▪ Eficiência medida em BER (Bit Error Rate)

◦ Processamento da codificação vs. Potência de transmissão

Arquitetura: RedeCamada de Rede

● Formação de Clusters● Roteamento

Arquitetura: RedeCamada de Rede – Clusters

Camada 2:Entrega

Camada 1:Processamento

Camada 0:Sensoreamento


● Camadas “físicas”

Camada 1 – Processamento:- Nós com maior

capacidade de processamento e transmissão

Camada 0 –Sensoreamento:- Nós mais simples


Camada n- Nós especializados

.

.

.

Camada 0- Nós mais simples- Rotação de funções

● Camadas “lógicas” ▪ Adaptativas

◦ rotação de funções

▪ Heterogêneas◦ nós com diferentes

capacidades


● Endereçamento▪ Cluster ID▪ ID Geo-referenciado▪ ID funcional

Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento

● Protocolos de roteamento para WSNs – Classificação▪ Em geral

◦ Redes flat (sem clusters)◦ Redes hierárquicas (com clusters)◦ Adaptativos

▪ Operação do protocolo◦ Multicaminhos (multipath)◦ Consultas (query)◦ Negociação


● Protocolos para redes flat▪ SAR (Sequential Assignment Routing)

◦ Base: energia, QoS nos caminhos e prioridade do pacote

◦ Multi-caminhos e restauração de caminho◦ Construção de árvore do nó até todas estações base

→Na construção evita-se nós com baixos energia ou QoS

◦ Reconstrução periódica das árvores


● Protocolos para redes flat▪ Directed Diffusion

◦ Dados gerados são pares: <atributo,valor>◦ Data centric: os dados importam, os nós não◦ Agrega dados nos nós intermediários

→Elimina redundância -> diminui número de transmissões◦ “Inunda” (com controle de direcionamento) rede

com consulta ou evento◦ Agrega respostas dos nós capazes de reponder


● Protocolos para redes flat▪ Algoritmo de encaminhamento de custo

mínimo (MCFA)◦ Usa broadcasts◦ Explora direcionamento

→Para estação base→Para sensor

◦ Manutenção de custo estimado de cada nó para estação base e vice-versa

◦ Se nó recebe mensagem (com custo associado) e tem custo menor, retransmite aos vizinhos


● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolo LEACH (Low Energy Adaptative

Cluster Hierarchy)◦ Baseado em clusters formados distribuidamente◦ Rotação aleatória dos 'mestres' dos clusters◦ Usa fusão de dados nos nós intermediários◦ Coleta centralizada e periódica

→Para tipos específicos de aplicações ◦ Supõe TDMA e FDMA na subcamada MAC◦ Supõe que todos os nós têm potência para alcançar

estação base (caso seja escolhido 'mestre')


● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolo PEGASIS (Power Efficient Gathering

in Sensor Information Systems)◦ Melhora do protocolo LEACH◦ Nós só se comunicam com vizinhos mais próximos◦ Nós se comunicam com estação base em turnos◦ Nós próximos: intensidade (potência) do sinal◦ Ainda supõe que todos alcançam estação base◦ Supõe que nós conhecem posição de todos os outros◦ Supõe que todos os nós têm mesmo nível de energia e

falharão após o mesmo período de tempo


● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolos TEEN (Threshold-sensitive Energy

Efficient sensor Network) e AP-TEEN (Adaptative Periodic TEEN)

◦ Uso em aplicações em que tempo é importante◦ Escuta contínua ao meio, menos transmissões◦ 'Mestre' envia limiar e uma margem a partir dos quais

os nós sabem que devem transmitir ou não→Limiar atingido: inicia transmissão das medições

◦ Gasta mais energia que os demais◦ AP-TEEN adapta limiar e margem de acordo com

aplicação


● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolos SMECN (Small Minimum Energy

Communication Network)◦ Calcula sub-rede que seja eficiente (energia)◦ Sub-rede baseada no alcance (potência do sinal)

do nó 'mestre'◦ Protocolo 'local' para consumo de energia: encontra

caminho mínimo local, não global


● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolo Fixed-Size Cluster Routing

◦ Cria clusters de acordo com área geográfica◦ Nós 'combinam' quem vai ficar acordado e quem

vai ficar em espera◦ Para atingir próximo nó, potência do sinal deve ser

suficiente (de acordo com a distância do próximo nó acordado)


● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolo Virtual Grid Architecture Routing

◦ Agrega dados em nós intermediários◦ Agregação local e global◦ Supõe topologia conhecida, fixa e eqüidistante◦ Escolha dinâmica de mestres, agregadores locais e

agregadores globais


● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolo Hierarquical Power-Aware Routing

◦ Grupos de sensores geograficamente próximos◦ Cada grupo 'escolhe' quais outros grupos serão

usados para rotear dados◦ Escolha baseada em capacidade residual de energia

em cada grupo◦ Controlador global (nó com mais energia)

→ Calcula grafo direcionado para determinar rotas


● Protocolos adaptativos▪ Família de protocolos SPIN (Sensor Protocols for

Information via Negotiation)

▪ Disseminação de informações sobre todos os nós para todos os outros (todos são encarados como potenciais estações base)

▪ Nós têm 'nome' (baseado nos tipos de dados que coletam)

▪ O que é enviado são metadados sobre o que é coletado; dados só são enviados quando há consulta

▪ Mensagens: ADV (dado novo), REQ (consulta) e DATA (dado é enviado a nós vizinhos)

▪ Nós participam do protocolo somente se podem agregar novos dados às consultas


● Protocolos adaptativos


● Operação:▪ Baseados em multicaminhos (multipath)

◦ Falhas em caminhos podem ocorrer◦ Manter mais de uma opção de caminho diminui

chances de isolamento◦ Manutenção desses caminhos por mensagens

periódicas◦ Múltiplos caminhos com intersecção diminui overhead

da técnica◦ Escolher caminho disponível com mais energia

residual diminui consumo de energia→ Equilíbrio entre energia residual e custo de se

usar o caminho (em termos de energia)


● Operação:▪ Baseados em consultas (queries)

◦ Nós não transmitem dados (ou grande parte dos dados) a não ser que sejam consultados

◦ Respondem somente a consultas às quais podem agregar dados inéditos

→ Redundância da localização, etc.◦ Normalmente usa-se agregação de dados nos

nós intermediários


● Operação:▪ Baseados em negociação

◦ Descritores de dados (metadados) são usados para determinar:

→ Dados que devem trafegar→ Utilização global de recursos da rede de sensores

◦ Busca eliminar repetições nas transmissões de dados

Arquitetura: RedeCamada de Transporte

● 'Mistura' com camada de rede● Poucas propostas● Dependente de aplicação

▪ Níveis de confiabilidade; controle de congestionamento; etc.

Arquitetura: RedeCamada de Transporte

● Sensor -> Estação Base▪ Fluxos correlatos (e.g., mesmo evento)

◦ Menor importância para perdas (e.g., congestionamento)

▪ Event-to-Sink Reliable Transport (ESRT)

● Estação Base -> Sensor▪ Binário de SO; Reconfigurações; Reprogramação /

Retasking; Consultas; Comandos; etc

▪ Maior importância para perdas

▪ Pump Slowly, Fetch Quickly (PSFQ)◦ Disseminação de pacote lenta, recuperação de

perda de pacote rápida

Arquitetura: RedeCamada de Aplicação

● Aplicações diversas (já mostradas)

● Sensor Management Protocol (SMP)▪ Acessibilidade (Internet)

▪ Gerenciamento: método de agregação de dados; nomenclatura de atributos; métodos de clustering; rastreabilidade; sincronização temporal; ligar/desligar sensores; verificação de status; autenticação e segurança; etc.

● Task Assignment and Data Advertisement Protocol (TADAP)

▪ Disseminação de interesse: o que se quer 'sensorear'

● Sensor Query and Data Dissemination Protocol (SQDDP)

▪ Interface para consultas e recuperação

Arquitetura: Hardware + Rede

Funcionalidades de WSNs- Configuração- Manutenção- Sensoreamento- Processamento- Comunicação

Áreas funcionaisGerenciamento:- Configuração- Falhas- Desempenho- Segurança- Contabilidade

Níveis de Gerenciamento:- de negócio- de serviço- de rede- de elemento de rede- elemento individual

Roteiro


Rastreamento● Importante quando a distribuição é aleatória

e dinâmica● Posição geográfica

▪ Semântica do dado medido; e

▪ Controle nas camadas de rede e enlace

● Três técnicas:▪ GPS (Global Positioning System)

▪ Alcance + ângulos:◦ Alguns nós têm posição conhecida (estática ou GPS)◦ Posicionamento é somente relativo

Sincronização Temporal

● Tipos de sincronização:▪ Time servers fixos (e confiáveis)▪ 'Tradução' de tempo pela rede (atrasos)▪ Rotação de nós 'mestres' como time servers

Aquisição e Processamento de Dados (Fusão de dados)

● Aquisição envolve:▪ Tradução de sinal analógico em digital

▪ Tratamento dos ruídos do sinal (processamento)

● Processamento dos dados gerados pelo conjunto de sensores:

▪ Nós combinam dados para gerar leituras consistentes (menor precisão, menor gasto de energia)

▪ Nós transmitem todos os dados adquiridos (maior precisão, maior redundância, mais energia)

Fusão de dados

● Tipos de Fusão de dados

FusãoCentralizada

FusãoHíbrida

FusãoLocal

- Dados não-processadosdisseminados em local centralizado

- Alta largura de banda noslinks de comunicação

- Processamento local mínimo

- Resultados (dados processados)disseminados em local centralizado

- Baixa largura de banda noslinks de comunicação

- Processamento local maior

Gerenciamento de Energia● Um nó de uma SN usa bateria (limitada)

▪ Insubstituível e não-recarregável

● Componentes eficientes▪ Processador, memória, conversor A/D, rádio

● Protocolos eficientes

▪ Camadas: física, MAC, rede (roteamento), transporte e aplicação

● Gerenciamento: transmissão vs. processamento dos dados obtidos

● Modos operacionais▪ off, sleep, standby, idle, active, on

Segurança, Confiabilidade e Tolerância à Falhas

● Propriedades parecidas com redes sem fio (especialmente redes Ad Hoc)

● Diferenças (e desafios em aberto)▪ Ambientes hostis (mal funcionamento)

▪ Recursos limitados (e.g., criptografia)

▪ Processamento “na rede” (chave para grupo), captura de um nó compromete grupo

▪ Arquiteturas específicas para cada aplicação◦ Soluções de segurança sob medida (difícil!)

Implementação de Redes de Sensores

● Distribuição de sensores▪ Distribuição determinística

▪ Distribuição aleatória

▪ Distribuição pseudo-aleatória◦ Influências não-mensuráveis

● Auto-organização▪ Rede se configura baseada no ambiente

▪ Reconfiguração automática com mudanças

▪ Determinação do status global da rede e do ambiente

Conclusões● Redes de sensores são MUITO limitadas do ponto de

vista de gasto de energia ▪ Não tende a mudar

● Diferenças, do ponto de vista de Redes, estão principalmente no controle de acesso ao meio (MAC) e nos mecanismos de roteamento

● Aplicações 'direcionam' pesquisa nessa área

▪ Protocolos específicos● Aspectos exclusivos da área (rastreamento, fusão de

dados, gerenciamento de energia nos protocolos, etc.)

● Maior parte dos testes das propostas são feitas em simulações, sem ambientes físicos reais

ReferênciasHandbook of Sensor Networks: Compact Wireless and Wired Sensing Systems, Mohammad Ilyas e Imad Mahgoub (eds.), 2005, CRC Press.

Wireless Sensor Networks — Architectures and Protocols, Edgar H. Callaway, 2004, CRC Press.

Documentos do IEEE 802.11 WG

Documentos do IEEE 802.15 WG

Contato

Gilberto Zonta Pastorello Jr.

[email protected]

www.ic.unicamp.br/~gilberto

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