CoROA: Algoritmo para Coleta de Dados em Redes de Sensores Aquáticas Óptico-Acústicas

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1 6 a 10 de Maio CoROA: Algoritmo para Coleta de Dados em Redes de Sensores Aquáticas Óptico-Acústicas Eduardo P. M. Câmara Júnior, Luiz Filipe M. Vieira, Marcos A. M. Vieira {epmcj, lfvieira, mmvieira}@dcc.ufmg.br

2 Redes de Sensores Aquáticas Monitorar/estudar ambientes aquáticos Monitoramento de campos de petróleo Gerenciamento de energia é crítico Comunicação geralmente é acústica ou óptica Ondas eletromagnéticas são facilmente absorvidas pela água 2

3 Diferenças entre modems Tipo de Transmissão (Modem Óptico) Direcional Eficiência Energética Alcance Taxa de Transmissão Ordem de Ordem de Ordem de 10 5 bits/j Ordem de (Modem Acústico) Omnidirecional 10 2 bits/j m Mbps Ordem de Ordem de km kbps 3

4 Redes de Sensores Óptico-Acústicas Nós possuem transmissores acústicos e ópticos Todos ou somente alguns Trabalhos recentes desenvolvendo redes deste tipo Poucos algoritmos de roteamento para essas redes Algoritmos tradicionais tem diversas desvantagens Podem explorar propriedades únicas 4

5 Trabalhos relacionados MURAO [1]: Algoritmo de roteamento multi-camada para redes híbridas Baseado em clusters Somente líderes possuem ambos os tipos de comunicação Distribuição planejada Wang et al. desenvolveram uma rede híbrida para transmissão de vídeos e imagens em tempo real [2] Algoritmo de roteamento desenvolvido especificamente para a rede 5

6 CoROA Coletar dados em redes de sensores óptico-acústicas Alcance da comunicação acústica Alta vazão e baixo consumo da comunicação óptica Baseado em clusterização (escalabilidade) Comunicação óptica dentro dos clusters Comunicação acústica entre líderes dos clusters Agregação de dados Redução no tráfego de mensagens Dividido em fases: Formação de clusters Formação de rotas Envio de dados e Manutenção de Rotas 6

7 Fase de Formação de Clusters Descobrimento de vizinhança Comunicação acústica (ID, posição, estado) Calculam e anunciam sua pontuação VO = Vizinhos ópticos e VA = Vizinhos acústicos PERCENTUAL_ENERGIA [0, 1] Nó é líder se sua pontuação é a maior dentre seus vizinhos ópticos 7

8 Fase de Formação de Clusters Descobrimento de vizinhança Comunicação acústica (ID, posição, estado) Calculam e anunciam sua pontuação coletor deve ser líder penalização + ao centro e com + energia VO = Vizinhos ópticos e VA = Vizinhos acústicos PERCENTUAL_ENERGIA [0, 1] Nó é líder se sua pontuação é a maior dentre seus vizinhos ópticos 8

9 Exemplo de Formação de Clusters 9

10 Exemplo de Formação de Clusters 10

11 Exemplo de Formação de Clusters 11

12 Exemplo de Formação de Clusters 12

13 Exemplo de Formação de Clusters 13

14 Fase de Formação de Rotas Formação de uma árvore com o nó coletor como raíz Nó coletor começa envio de mensagens Nó precisa receber mensagens de todos os líderes vizinhos Líderes optam por outros que estão a poucos hops do nó coletor mais perto deles Líder pode optar por membro se não tiver opções 14

15 Fase de Formação de Rotas Formação de uma árvore com o nó coletor como raíz Nó coletor começa envio de mensagens Nó precisa receber mensagens de todos os líderes vizinhos Líderes optam por outros que estão a poucos hops do nó coletor mais perto deles Líder pode optar por membro se não tiver opções 15

16 Fase de Formação de Rotas Formação de uma árvore com o nó coletor como raíz Nó coletor começa envio de mensagens Nó precisa receber mensagens de todos os líderes vizinhos Líderes optam por outros que estão a poucos hops do nó coletor mais perto deles Líder pode optar por membro se não tiver opções 16

17 Fase de Formação de Rotas Formação de uma árvore com o nó coletor como raíz Nó coletor começa envio de mensagens Nó precisa receber mensagens de todos os líderes vizinhos Líderes optam por outros que estão a poucos hops do nó coletor mais perto deles Líder pode optar por membro se não tiver opções 17

18 Fase de Envio de Dados e Manutenção de Rotas Envio de dados coletados para o próximo hop Membros: comunicação óptica Líderes: comunicação acústica Líderes agregam dados n m mensagens, onde m n Manutenção de rotas Nó líder atinge determinada quantidade de energia Nó morre 18

19 Avaliação Simulação [3] Canal Acústico [4] Atenuação do sinal Ruídos presentes no meio Canal Óptico [5] Turbidez da água Parâmetros dos receptores Mensagens são entregues de acordo com o PER (Packet Error Rate) Comparação com algoritmo de caminho mínimo (SPA) Comunicação é óptica se distância entre nós é menor que alcance do modem óptico; acústica caso contrário. 19

20 Configurações de Simulação 1 nó coletor + 50, 100, 150 ou 200 nós sensores Distribuídos uniformemente em uma região de 1500³ m³ Nós consomem energia quando recebem e enviam mensagens Energia inicial: 1000 J Coletas de dados a cada 15 min. depois da 1ª hora 200 bytes de dados Esquema de agregação: média dos dados recebidos Slots de tempo do TDMA Distribuição por ID Tamanho: 0.5 s Tempo de simulação: 24 horas 20

21 Configurações de Simulação Parâmetro Modem Acústico Modem Óptico Alcance 1 km 50 m Taxa de transmissão 10 kbps 1 Mbps Consumo de transmissão 2.8 W (2.8e-4 J/bit) 15 W (1.5e-5 J/bit) Consumo de recebimento 1.3 W 10 W Modem acústico: Evologics S2CR 18/34 Modem óptico: Si PIN Hamamatsu S BlueComm

22 Consumo energético (a) sem agrupamentos (b) agrupamentos de 5 nós (c) agrupamentos de 10 nós Melhor cenário: agrupamentos de 10 nós Utilizado nos demais resultados 22

23 Consumo energético (a) sem agrupamentos (b) agrupamentos de 5 nós (c) agrupamentos de 10 nós Melhor cenário: agrupamentos de 10 nós Utilizado nos demais resultados 23

24 Latência Agrupamentos de 10 nós Latência aumenta com o número de nós Aumento menor com CoROA Agregação de dados 24

25 Dados coletados Mensagem entregue ao coletor = dados coletados Mensagem agregada = dados coletados das n fontes Quantidade de dados coletados é próxima do ideal Quantidade ideal de dados coletados por hora 25

26 Dados coletados Mensagem entregue ao coletor = dados coletados Mensagem agregada = dados coletados das n fontes Quantidade de dados coletados é próxima do ideal Quantidade ideal de dados coletados por hora 26

27 Quantidade de transmissões Menor quantidade de transmissões com CoROA Transmissões acústicas são predominantes Porcentagem de transmissões ópticas é maior com CoROA Grande variação com utilização do SPA 27

28 Conclusões e Trabalhos Futuros Algoritmo para coleta de dados em redes de sensores aquáticas óptico-acústicas Divide a rede em cluster (líderes e membros) Utiliza agregação de dados Comparado com SPA, CoROA consegue consumir menores quantidades de energia atingir menores latência médias quantidade de dados coletados/h próxima do ideal com, em média, menos transmissões Trabalhos futuros: implementação real outras funções de pontuação 28

29 OBRIGADO! Perguntas? Eduardo Pinto Mendes Câmara Júnior 29

30 Referências [1] Hu, Tiansi, and Yunsi Fei. "MURAO: A multi-level routing protocol for acoustic-optical hybridunderwater wireless sensor networks." Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks (SECON), th Annual IEEE Communications Society Conference on. IEEE, [2] Wang, Jingjing, et al. "Design of optical-acoustic hybrid underwater wireless sensor network." Journal of Network and Computer Applications (2017). [3] [4] Stojanovic, Milica. "On the relationship between capacity and distance in an underwater acoustic communication channel." ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review 11.4 (2007): [5] Anguita, Davide, et al. "Optical wireless underwater communication for AUV: Preliminary simulation and experimental results." OCEANS, 2011 IEEE-Spain. IEEE,