Redes de Sensores sem Fio Redes de Sensores sem Fio Projeto Integrado: MAC e RoteamentoProjeto Integrado: MAC e Roteamento

Rafael Roque Aschoff Rafael Roque Aschoff rra@cin.ufpe.brrra@cin.ufpe.br

Orientadores Orientadores Eduardo Souto - esouto@gprt.ufpe.brEduardo Souto - esouto@gprt.ufpe.br

Djamel Sadok – jamel@gprt.ufpe.brDjamel Sadok – jamel@gprt.ufpe.br

Grupo de Pesquisa em Redes e Grupo de Pesquisa em Redes e Telecomunicações Telecomunicações

www.gprt.ufpe.brwww.gprt.ufpe.br

AgendaAgenda IntroduçãoIntrodução AplicaçõesAplicações DesafiosDesafios CaracterísticasCaracterísticas SimuladoresSimuladores Plataforma de DesenvolvimentoPlataforma de Desenvolvimento Trabalhos FuturosTrabalhos Futuros Projeto Integrado: MAC e Roteamento Projeto Integrado: MAC e Roteamento

Algoritmo OPERAlgoritmo OPER Interações X-LayerInterações X-Layer Simulação e ResultadosSimulação e Resultados

Trabalhos futurosTrabalhos futuros

IntroduçãoIntrodução

FísicosFísicos QuímicosQuímicos BiológicosBiológicos Dentre outrosDentre outros

SensoresSensores

EstímuloEstímulo

Evolução TecnológicaEvolução Tecnológica

Na área de microprocessadoresNa área de microprocessadores Novos materiais de sensoriamentoNovos materiais de sensoriamento Micro sistemas eletromecânicos (MEMS Micro sistemas eletromecânicos (MEMS

– Micro Eletro-Mecanical System)– Micro Eletro-Mecanical System) Comunicação sem fioComunicação sem fio

Redes Redes de de Sensores sem Fio - RSSFsSensores sem Fio - RSSFs

Grande número de nodos distribuídosGrande número de nodos distribuídos Restrições de energiaRestrições de energia Mecanismos de auto-configuração e Mecanismos de auto-configuração e

adaptaçãoadaptação AutônomasAutônomas Alto grau de cooperaçãoAlto grau de cooperação

Aplicações de RSSFsAplicações de RSSFs

Podem ser homogêneas ou heterogêneas Podem ser homogêneas ou heterogêneas em relação aos tipos, dimensões e em relação aos tipos, dimensões e funcionalidades dos nodos sensoresfuncionalidades dos nodos sensores

Dimensões físicas dos sensores são Dimensões físicas dos sensores são dependentes do tipo de aplicaçãodependentes do tipo de aplicação

AplicaçãoAplicação

Áreas de Aplicação de RSSFsÁreas de Aplicação de RSSFs

                                                                                           

Produção Industrial Produção Industrial Linha de Montagem Linha de Montagem

IndustrialIndustrial

Áreas de Aplicação de RSSFsÁreas de Aplicação de RSSFs

                                                                     

Monitoramento das Condições FísicasMonitoramento das Condições Físicas

Circulatory Net

MedicinaMedicina

Áreas de Aplicação de RSSFsÁreas de Aplicação de RSSFs

                                                                     

Biologia MarinhaBiologia Marinha Monitoramento de FlorestaMonitoramento de Floresta Monitoramento SísmicoMonitoramento Sísmico

Meio AmbienteMeio Ambiente

DesafiosDesafios

Aspectos dinâmicos do sistemaAspectos dinâmicos do sistema O mundo físico é dinâmicoO mundo físico é dinâmico Indisponibilidade de recursos, particularmente energiaIndisponibilidade de recursos, particularmente energia Muitos dispositivos para fazer configuração manualMuitos dispositivos para fazer configuração manual

Projeto é fortemente dependente da aplicaçãoProjeto é fortemente dependente da aplicação Energia é restriçãoEnergia é restrição Pré-configuração e conhecimento global do Pré-configuração e conhecimento global do

sistemasistema Problemas específicosProblemas específicos

Simuladores RSimuladores RSSFsSSFs NS-2NS-2

• Padrão para simulação de redesPadrão para simulação de redes• Muita documentaçãoMuita documentação• Utiliza OTcl e C++.Utiliza OTcl e C++.

• Dificuldade de uso e aprendizadoDificuldade de uso e aprendizado• Suporte simulações wireless ainda incipienteSuporte simulações wireless ainda incipiente• Possui apenas um modelo primitivo de Possui apenas um modelo primitivo de

consumo de energiaconsumo de energia• Não trabalha bem com grandes topologiasNão trabalha bem com grandes topologias

Simuladores RSimuladores RSSFsSSFs SensorSimSensorSim

• Extensão para o NS-2Extensão para o NS-2• Fornece modelos de bateria, modelos de rádio Fornece modelos de bateria, modelos de rádio

de propagação e modelos de canais de de propagação e modelos de canais de sensoressensores

• Fornece uma leve pilha de protocolosFornece uma leve pilha de protocolos• Há suporte para simulação híbridaHá suporte para simulação híbrida

• Dificuldade de uso e aprendizadoDificuldade de uso e aprendizado• Pouca documentaçãoPouca documentação

Simuladores RSimuladores RSSFsSSFs TOSSIMTOSSIM

• Sistema Operacional baseado em componentes Sistema Operacional baseado em componentes denominado de TinyOSdenominado de TinyOS

• Linguagem NesC – extensão ao CLinguagem NesC – extensão ao C• Gera executável para o simulador em algumas Gera executável para o simulador em algumas

plataformas (Mica, Mica2, Mica2Dot) plataformas (Mica, Mica2, Mica2Dot) • Fornece modelos de bateria, modelos de rádio de Fornece modelos de bateria, modelos de rádio de

propagação e modelos de canais de sensorespropagação e modelos de canais de sensores• Interface – único ponto e acesso ao componenteInterface – único ponto e acesso ao componente• Módulos – prover o código da aplicaçãoMódulos – prover o código da aplicação• Configuração – conecta as interfaces e suas Configuração – conecta as interfaces e suas

implementaçõesimplementações

Simuladores RSimuladores RSSFsSSFs TinyVizTinyViz

• Interface gráfica para o TOSSIM com código Interface gráfica para o TOSSIM com código fonte aberto em Javafonte aberto em Java

• Conecta-se ao TOSSIM via sockets TCPConecta-se ao TOSSIM via sockets TCP• Exibe os nodos participantes da simulação Exibe os nodos participantes da simulação • Possibilita criação de Plugins que interagem Possibilita criação de Plugins que interagem

com a rede.com a rede.

Simuladores RSimuladores RSSFsSSFs TinyVizTinyViz

Microprocessador ATmega103LMicroprocessador ATmega103L 128k Memória de programa128k Memória de programa 4k RAM Memória de dados4k RAM Memória de dados 8 conversores AD8 conversores AD

TR1000 915MHz radioTR1000 915MHz radio 50kbps50kbps Signal Strength interfaceSignal Strength interface

LEDSLEDS

51-pin expansion connector51-pin expansion connector

2-AA for power + regulator2-AA for power + regulator

Plataforma de DesenvolvimentoPlataforma de Desenvolvimento

Mica Main BoardMica Main Board

Mica Sensor Board- MTS300CA/MTS310CAMica Sensor Board- MTS300CA/MTS310CA Light (Photo)-Clairex CL94LLight (Photo)-Clairex CL94L Temperature-Panasonic ERT-J1VR103JTemperature-Panasonic ERT-J1VR103J Acceleration-ADI ADXL202Acceleration-ADI ADXL202 Magnetometer-Honeywell HMC1002Magnetometer-Honeywell HMC1002 MicrophoneMicrophone Tone DetectorTone Detector SounderSounder

Plataforma de DesenvolvimentoPlataforma de Desenvolvimento

Projeto Integrado: MAC e RoteamentoProjeto Integrado: MAC e Roteamento OPER - OPER - ((OOn-Demand n-Demand PPower-ower-EEfficient fficient RRouting Protocolsouting Protocols)) Conjunto de protocolos de roteamento para Conjunto de protocolos de roteamento para

redes de sensores sem fioredes de sensores sem fio..

OPER-PE (OPER-PE (Path Energy-AwarePath Energy-Aware) ) Seleção de rotas é realizada através Seleção de rotas é realizada através

de heurísticas que avaliam o estado de heurísticas que avaliam o estado energético dos nós que compõem as energético dos nós que compõem as rotas rotas

Mensagens do OPER-PEMensagens do OPER-PEHello – Hello – descoberta de descoberta de

vizinhos vizinhos Route REQuest – requisição Route REQuest – requisição

de rotade rotaRoute REPly – resposta de Route REPly – resposta de

rotarotaRoute ERRor – erro na rotaRoute ERRor – erro na rota

Mensagem HelloMensagem Hello

Mensagem de Requisição de Mensagem de Requisição de Rota (RREQ)Rota (RREQ)

Mensagem de Resposta de Mensagem de Resposta de Rota (RREP)Rota (RREP)

Mensagem de Erro de Rota Mensagem de Erro de Rota (RERR)(RERR)

Interações Cross-LayerInterações Cross-Layer A camada de roteamento e a camada A camada de roteamento e a camada

MAC possuem algumas funcionalidades MAC possuem algumas funcionalidades semelhantes:semelhantes: Requisitos para a bidirecionalidade do link;Requisitos para a bidirecionalidade do link; Podem implementam testes para Podem implementam testes para

bidirecionalidade;bidirecionalidade; Podem implementar mecanismos de Podem implementar mecanismos de

confirmação de mensagens;confirmação de mensagens; Podem detectar problemas no link (enlace Podem detectar problemas no link (enlace

ou rota).ou rota).

Propostas do trabalho atualPropostas do trabalho atual Atualizar de forma mais rápida e precisa Atualizar de forma mais rápida e precisa

a tabela de vizinhança dos nós;a tabela de vizinhança dos nós; Inferir sobre possíveis problemas de Inferir sobre possíveis problemas de

conectividade entre vizinhos. conectividade entre vizinhos. Eliminar a mensagem de Hello;Eliminar a mensagem de Hello; Decidir se o enlace é simétrico para Decidir se o enlace é simétrico para

garantir o sucesso das transmissões de garantir o sucesso das transmissões de mensagens RREP.mensagens RREP.

Aplicação com conhecimento de rotaAplicação com conhecimento de rota

Simulação e ResultadosSimulação e Resultados Métrica de DesempenhoMétrica de Desempenho

Taxa de EntregaTaxa de Entrega Número de Mensagens de Controle Número de Mensagens de Controle Energia Média Consumida Energia Média Consumida

Ambiente de SimulaçãoAmbiente de Simulação 25, 50, 75 e 100 nós sensores estacionários 25, 50, 75 e 100 nós sensores estacionários

e homogêneose homogêneos Distribuídos uniformemente em um grid Distribuídos uniformemente em um grid

com pontos espaçados de 10 metros. com pontos espaçados de 10 metros. Raio de Rtx= 10m. Raio de Rtx= 10m.

Taxa de entrega de pacotes Taxa de entrega de pacotes

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

25 50 75 100

Número de Nós Sensores

Taxa

de

Entr

ega

Cenário AC sem Cross-Layer Cenário AC com Cross-Layer

Cenário BC sem Cross-Layer Cenário BC com Cross-layer

Número de Mensagens de Número de Mensagens de Controle Controle

Energia ConsumidaEnergia Consumida

Trabalhos FuturosTrabalhos Futuros

Sleep time relativo ao número de vizinhosSleep time relativo ao número de vizinhos Predição de energiaPredição de energia Ajuste da potência do sinalAjuste da potência do sinal Qualidade do sinalQualidade do sinal

ReferênciasReferências I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayorci. I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayorci. “Wireless sensor “Wireless sensor

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20032003 S. Cui, A. J. Goldsmith, and A. Bahai, “Modulation optimization under energy S. Cui, A. J. Goldsmith, and A. Bahai, “Modulation optimization under energy

constraints” at Proceedings of ICC’03, Alaska, U.S.A, May, 2003.constraints” at Proceedings of ICC’03, Alaska, U.S.A, May, 2003. S. Singh and C. Raghavendra, “Power efficient MAC protocol for multihop radio S. Singh and C. Raghavendra, “Power efficient MAC protocol for multihop radio

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DúvidasDúvidas

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