Um Protocolo MAC para Redes de Sensores sem Fio Voltado para Aplicações Específicas Utilizando o Método de Acesso TDMA

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1 Um Protocolo MAC para Redes de Sesores sem Fio Voltado para Aplicações Específicas Utilizado o Método de Acesso TDMA Sadro Silva de Oliveira e Shusaburo Motoyama Resumo - Neste artigo é apresetado um ovo protocolo MAC para redes de sesores sem fio baseado o método de acesso TDMA (Time Divisio Multiple Access). É voltado para aplicações que possuem um pequeo úmero de sesores altamete cocetrados em uma pequea região. A pricipal característica do protocolo proposto é o agedameto de trasmissão simplificado que garate um baixo cosumo de eergia e um overhead reduzido. O cosumo de eergia e o atraso de espera dos pacotes do protocolo proposto são estimados aaliticamete e comparado com outros protocolos. Os resultados mostram que o protocolo é bastate adequado para a fialidade proposta tato em cosumo de eergia como em cotrole de atraso de pacotes. Palavras chave - Redes de sesores sem fio, protocolos de cotrole de acesso ao meio, Acesso múltiplo por divisão de tempo, redução de cosumo de eergia, atraso. Abstract - I this article a ew MAC protocol for wireless sesor etworks based o the TDMA (Time Divisio Multiple Access) access method is proposed. The proposed protocol is iteded for applicatios which the sesors are highly cocetrated i a small regio. The mai feature of the proposed protocol is the simplified trasmissio schedulig that guaratees a low cosumptio of eergy ad a reduced overhead. The eergy cosumptio ad packet waitig delay of the proposed protocol are aalytically estimated ad compared to others protocols. The results have showed that the protocol is well fitted for proposed purpose i eergy cosumptio as well as i packet delay cotrol. Keywords - Wireless sesor etworks, Medium access cotrol (MAC) protocols, Time divisio multiple access (TDMA), Reductio of eergy cosumptio, Packet delay. I. INTRODUÇÃO As Redes de Sesores Sem Fio (RSSFs) são costituídas de um grade úmero de ós distribuídos que colaboram us com os outros para executarem tarefas. Um ó é represetado por um pequeo hardware, composto de um ou mais sesores, um rádio trasmissor/receptor, bateria e um processador. Este tipo de rede tem sido objeto de itesas pesquisas aplicadas a diferetes ceários, como moitorameto de ambietes, robótica e sistemas médicos. Os ós das RSSFs podem estar localizados em ambietes de difíceis acessos, dificultado a mauteção e recarga da bateria. Assim, o eficiete cosumo de eergia é de extrema importâcia para o tempo de vida da rede de sesores. Vários Sadro Silva de Oliveira e Shusaburo Motoyama, Departameto de Telemática da Faculdade de Egeharia Elétrica e Computação FEEC, da Uiversidade Estadual de Campias UNICAMP. Ed.: Cidade Uiversitária Zeferio Vaz, Barão Geraldo, Campias, São Paulo Brasil, CEP: sadro@dt.fee.uicamp.br, motoyama@dt.fee.uicamp.br. Este trabalho é fiaciado pela CAPES. critérios são propostos para miimizar o cosumo de eergia, como [1], [7], [9]: evitar colisão, dimiuir o overhearig (escuta iútil), cotrole do overhead e idle listeig (escuta ociosa, quado ão há tráfego a rede). Nas arquiteturas de protocolos das RSSFs, uma das camadas de maior relevâcia é a MAC (Medium Access Cotrol). Os métodos de cotrole de acesso ao meio iflueciam o cosumo de eergia dos dispositivos de rede, a forma como as iformações são ecamihadas e a maeira como as aplicações são cocebidas. Vários protocolos MAC para RSSFs têm sido propostos a literatura [1], [2], [6], visado obter eficietes esquemas de acesso, e são baseados em coteção ou etão em TDMA. Os protocolos MAC propostos em [1], [2] são baseados o esquema de acesso com coteção e usam um período cíclico de tempo. Cada período é dividido em uma parte ativa e uma de repouso em que o ó é desativado. Na parte ativa todos os ós são acordados e executam toda a comuicação de troca de iformações ecessária, iiciado com o diálogo RTS-CTS (Request-To-Sed/Clear-To-Sed) para cotrole da coteção e em seguida para trasmissão de dados e recepção do ACK (mesagem de cofirmação). É o mesmo protocolo de cotrole usado o MAC do IEEE A difereça etre os protocolos propostos em [1], [2] está que o primeiro a parte ativa assim como a de repouso é fixa e o segudo, esta é variável, o que o tora mais eficiete. Um protocolo deomiado TRAMA baseado em TDMA para RSSFs é proposto em [5]. Nesse protocolo um quadro é dividido a parte de agedameto e a parte de dados. A parte de dados é subdividida em slots para trasmissão de dados. Uma desvatagem deste protocolo é que o algoritmo de agedameto é baseado em um esquema de eleição para escolher quais ós devem trasmitir e receber, o qual é complexo, ocasioado um úmero excessivo de pacotes de overhead. Outros protocolos baseados em TDMA são propostos a literatura, como os apresetados em [13] e [14]. O protocolo proposto em [13] atribui slots somete quado quer eviar ou receber iformação, caso cotrário, matém o trasceptor desligado para evitar a escuta desecessária dos ós vizihos. Este protocolo faz uso de um pacote wake-up para ativar os ós quado ecessário. Em [14] apreseta-se um outro protocolo baseado em TDMA, voltado para aplicações que solicitam iformações periodicamete e com garatia de etrega. Este protocolo também apreseta um esquema de cotrole dos slots flexível, destiado para redes com um grade úmero de ós sesores.

2 Outros esquemas de acesso apresetados a literatura [3], [4] utilizam algumas técicas para miimizar o cosumo de eergia. Em [3] o cotrole de acesso ao caal é feito por um esquema de amostragem de ruído do caal de trasmissão, determiado assim o estado do mesmo. Já em [4] é proposto um algoritmo distribuído para o balaceameto da carga da rede, estabelecedo que os ós sesores com estado de eergia baixa devem ser tratados diferetemete e usados com meor freqüêcia o ecamihameto das mesages. A maioria dos protocolos supracitados são voltados à aplicações gerais e são baseados em coteção [9]. No etato, para uma aplicação específica de RSSFs o cosumo de eergia pode ser miimizado usado as características apresetadas pela aplicação. Neste artigo é apresetado um ovo protocolo MAC para RSSFs voltado a aplicações específicas, tais como sistemas médicos ou para uma aplicação em que os ós sesores estão altamete cocetrados em uma pequea área física. Nesta área a mobilidade dos ós sesores ão é alta e o sial de rádio de cada ó é alcaçado por todos outros ós, reduzido o overhead de comuicação e o cosumo de eergia de cada ó. O método de acesso do protocolo proposto é baseado em TDMA, sedo semelhate ao protocolo proposto em [6], difereciado-se somete a forma de agedameto de acesso. Em [6], cada sesor tem uma posição fixa reservada a parte de agedameto e o esquema do protocolo proposto, há um úmero limitado de slots de tempo que são disputados pelos ós sesores para trasmitirem as solicitações de agedameto. O artigo está orgaizado da seguite forma. Na seção II, são apresetados os pricipais protocolos MAC para RSSFs ecotrados a literatura. O protocolo proposto é descrito a seção III. Na seção seguite, a estimativa de cosumo de eergia do protocolo proposto é aalisada e comparada com algus dos protocolos existetes a literatura. Na seção V é apresetada a aálise de atraso espera dos pacotes do protocolo proposto. Fialmete, as pricipais coclusões são descritas a seção V. II. PRINCIPAIS PROTOCOLOS MAC PARA RSSFS Há dois tipos pricipais de protocolos de acesso MAC para RSSFs, aqueles que são baseados em agedameto (schedulig) ou alocação de recursos, represetado pelo método TDMA, e aqueles que são baseados em coteção. Os protocolos baseados em TDMA utilizam, em geral, quadros repetitivos, divididos em vários slots de tempo (ou caais). No caso do TDMA tradicioal, em cada quadro, cada ó tem o acesso a um slot de tempo dedicado, em que pode eviar e/ou receber dados, utilizado toda a largura de bada do caal. Para utilização do TDMA em RSSFs, a alocação dos caais deve ser diâmica, cada caal sedo alocado ao um ó somete quado houver dados para trasportar. Dessa forma, um quadro do esquema de acesso TDMA para RSSFs, possui uma parte reservada para agedameto dos ós para defiir a seqüêcia de trasmissão. Já os protocolos de coteção baseados o Carrier Sese Multiple Access with Collisio Avoidace - CSMA/CA, os ós disputam o acesso ao caal, existido a probabilidade de colisões o evio de dados. Os protocolos baseados o CSMA/CA ecessitam de quadros de cotrole para estabelecer um diálogo de comuicação etre as estações. Neste método há colisões e um overhead maior. Nesta seção são apresetados algus dos pricipais protocolos MAC para RSSFs presetes a literatura. O S-MAC, protocolo proposto em [1] e baseado em CSMA/CA, utiliza sicroização para ordeação dos modos de operação do rádio. É destiado a aplicações dirigidas a evetos, isesíveis a latêcia e com baixa taxa de evio de mesages. O S-MAC usa o método de comuicação baseado em RTS/CTS/DATA/ACK para detectar a portadora física e resolver o problema de colisão. O esquema do S-MAC é baseado em um ciclo de operação dos ós com tempos fixos de escuta (liste) e repouso (sleep). Neste esquema, cada ó irá repousar por um tempo, e etão acordará e ficará escutado para ver se tem algum outro ó queredo trasmitir iformação para ele. A duração do tempo para escuta ou para repouso é selecioada de acordo com a aplicação. O esquema de sicroização etre os ós é realizado eviado um pacote deomiado SYNC. Este iclui o edereço do emissor e o tempo do próximo repouso. A desvatagem do S-MAC está a utilização do ciclo de atividade (duty cycle) fixo, ão permitido o cotrole diâmico do tempo dos modos de operação de escuta e repouso. O protocolo T-MAC apresetado em [2] é semelhate ao S-MAC e visa reduzir o tempo de idle listeig, utilizado-se de ciclos de atividade e repouso diâmicos para dimiuir o cosumo de eergia do ó. O cotrole do tempo ativo é feito por um temporizador chamado T A (time-out), que ao seu térmio coloca o rádio em repouso. O ó escuta a rede, trasmite e recebe dados durate o seu tempo ativo. A recepção de pacotes RTS ou CTS é suficiete para reovar o tempo T A. O itervalo de tempo T A deve ser suficiete para receber pelo meos o iício de um pacote CTS. O valor do T A é estimado pelo tamaho do esquema de coteção do RTS/CTS/DATA/ACK, pelo tamaho de um pacote RTS e o tempo de roud-trip (tempo etre o fial de um pacote RTS e o iício de um pacote CTS). A soma destes três parâmetros deve ser maior que T A. O T-MAC é mais eficiete em cosumo de eergia que o S-MAC, mas é limitado em largura de bada, ão sedo adequado para grades trasferêcias de dados. O T- MAC é idicado para aplicações de pequeo tráfego. Em [8] propõe-se uma modificação o T-MAC que cosidera o tráfego da rede para determiar o período de liste/sleep visado uma melhor ecoomia de eergia e latêcia. O protocolo FS-MAC (Fixed Schedulig Medium Access Cotrol), proposto em [6], é baseado o esquema TDMA e tem o formato de quadro mostrado a Fig. 1. A primeira parte é usada para sicroização do quadro e, também, para recofiguração dos ós sesores, o caso em que os ós sesores parem de fucioar ou o caso em que há iserção de ovos ós sesores. Em um quadro são trasmitidos os bits de sicroismo, em um outro quadro, alteradamete, trasmitem-se os bits de recofiguração. A seguda parte do quadro é dividida em N mii-slots, e cada um é alocado a um determiado ó, de modo,

3 que cada ó cohece exatamete qual a posição dos outros ós. Isso permite uma redução de overhead de sialização, pois, os ós sesores ecessitam trocar meos iformações para trasmitirem os dados. Cada mii-slot possui iformações de idetificação do ó (ID) e da quatidade de caais a serem reservados para trasmissão de dados. A alocação de cada ó para o seu tempo de slot correspodete é feita pelo ó cetral ou de forma distribuída e otificada para todos ós usado o espaço destiado aos bits de recofiguração. Fig. 1. Orgaização do quadro do FS-MAC. A solicitação da reserva do úmero de caais é feita durate a escrita de idetificação. Os mii-slots podem, também, ser utilizados para eviar o sial de cofirmação ACK. Neste tipo de alocação, cada ó deve estar ativo esta fase de agedameto. Etretato, o período do caal de dados, somete os ós trasmissores e receptores deverão estar ativos, permitido que os outros ós fiquem o modo de repouso, ecoomizado eergia. Os projetos de protocolos de acesso de RSSFs para aplicações gerais e para uma rede de grade dimesão requerem aálises e implemetações de hipóteses bastate geéricas, que talvez uca sejam utilizadas em uma aplicação específica. Em sua maioria, exceto o protocolo proposto em [6], os protocolos de acesso (MAC) para RSSFs aqui apresetados são desevolvidos para aplicações gerais e para redes com grade úmero de ós sesores. Com o objetivo de ecoomizar eergia e com um atraso aceitável, explorado características de uma aplicação específica, é proposto este artigo, um ovo protocolo MAC para RSSFs. Na seção a seguir é descrito o protocolo proposto. III. DESCRIÇÃO DO PROTOCOLO PROPOSTO SA-MAC Em algumas aplicações específicas como em aplicações médicas, a mobilidade dos sesores é limitada a uma pequea área. Desse modo, pode-se utilizar essas áreas, um ó sesor cetral e um grupo de sesores de modo que os sesores em cada grupo se comuiquem através desse ó sesor cetral. A existêcia de um ó sesor cetral possibilita uma comuicação mais simples, reduzido overhead de sialização (trocas de iformação ates da trasferêcia de dados). A comuicação de um sesor de um grupo com sesor de um outro grupo pode ser feita através dos ós sesores cetrais. Assim, a rede pode ser expadida com a itrodução de vários grupos, tedo cada grupo um ó cetral. Cosiderado as características ieretes em aplicações médicas, o esquema de acesso TDMA é mais coveiete, pois, é um esquema que utiliza um ó cetralizado e forece um acesso sem coteção, permitido desse modo, atrasos reduzidos as trasferêcias de mesages. Na Fig. 2 é mostrada a orgaização do quadro do protocolo SA-MAC. Como em FS-MAC o quadro é dividido em três partes. A primeira parte é utilizada para o sicroismo de quadro. A seguda parte é utilizada para eviar solicitação de agedameto. Esta parte é dividida em determiado úmero de slots para que sejam utilizados para solicitar agedameto e, também, para receber cofirmações. Como há um úmero limitado de slots, este esquema haverá coteções para o acesso a esses slots. Na terceira parte do quadro estão os caais ou slots de tempo para trasportar os dados. Fig. 2. Formato do quadro do protocolo SA-MAC. Para ilustrar o fucioameto do SA-MAC, supõe-se a seguite situação: se um dos ós quiser trasmitir, primeiramete, é realizado um sorteio para escolher um dos slots de agedameto para trasmitir. Etão, a solicitação de agedameto é ecamihada, com iformações de idetificação do ó trasmissor e o úmero de slots estimado para trasmissão, esta iformação de agedameto é recebida por todos os ós. Um ó ficará sabedo do sucesso ou falha a trasmissão da iformação de agedameto somete o quadro seguite, quado receberá ou ão o ACK. Caso ocorra colisão, o ó trasmissor disputará ovamete o slot de agedameto, até coseguir o acesso. Para ão aumetar a probabilidade de haver colisões sucessivas, a cada colisão o tempo de retrasmissão poderá ser aumetado de acordo com o algoritmo de backoff expoecial [10]. No caso em que um úico ó deseja trasmitir, em um dado mometo, este ó poderá utilizar toda parte destiada à trasmissão de dados. O agedameto este esquema é feito pelo ó cetral, que iformará o ACK quatos caais os ós trasmissores poderão utilizar. Neste esquema, também, todos os ós sesores deverão estar ativos a parte do sicroismo e a parte de agedameto, mas a parte de trasmissão de dados, somete os ós trasmissores e receptores ficarão ativos, equato que os outros ós ficarão iativos, ecoomizado eergia. IV. ANÁLISE DO CONSUMO DE ENERGIA DO PROTOCOLO PROPOSTO SA-MAC Para a aálise do protocolo proposto são feitas as seguites suposições. Na parte de sicroismo do SA-MAC serão reservados 4 bits, e a parte de agedameto serão cosiderados dois slots de tempo para acesso e dois slots para os ACKs. Para aálise do cosumo de eergia será utilizado um modelo de rádio trasmissor TR1000 de 19,2 Kbps, cujo cosumo de eergia é de 36 mj/s para trasmissão, 5,4 a 14,4 mj/s para recepção e 3µJ/s para o estado de repouso. Serão cosideradas duas redes de diferetes tamahos: 32 e 128 ós sesores. Estes dados são utilizados para o cálculo aalítico do cosumo de eergia do protocolo proposto e que serão comparados com os protocolos S-MAC, T-MAC e FS-MAC apresetados a literatura. Supõe-se para aálise um ciclo de 100 ms (240 Bytes) para o S-MAC e T-MAC, e um quadro de 100 ms para os protocolos propostos FS-MAC e SA-MAC. No caso do S-MAC é cosiderado um período ativo de 20 ms e um período de repouso de 80 ms. Para o T-MAC o período ativo ão é fixo e depede do tráfego, mas para fis de aálise será cosiderado um tempo máximo da parte ativa de 82,5 ms e um valor de T A de 15 ms,

4 como usado em [2]. Para o FS-MAC o período ativo depede do úmero de ós, do úmero de caais de dados e do tamaho do pacote. Supodo, iicialmete, uma rede de 32 ós sesores, são ecessários 5 bits para idetificação do ó (2 5 = 32 ós) e 3 bits para alocação do caal, assim são ecessários 8 bits para cada mii-slot, deste modo serão utilizados 256 bits para parte de agedameto do FS-MAC, mais 4 bits destiados a sicroização (totalizado 260 bits ou 32,5 Bytes). Para o ceário descrito, correspode a 13,55 ms para a parte de agedameto de acesso do quadro, restado 86,45 ms para a parte de dados. No caso do protocolo proposto SA-MAC, cosiderado o mesmo ceário descrito, para um quadro de 100 ms (240 Bytes), 1,67 ms (4 bits de sicroização, 2 Bytes para os slots de acesso, 2 Bytes para os slots de ACK) serão destiados para agedameto de acesso e cofirmação do quadro, sedo que o restate, 98,33 ms (236 Bytes) serão destiados a parte de dados. Para a comparação do cosumo de eergia dos quatro protocolos, é cosiderada a trasferêcia de arquivo que cotém os seguites tamahos: 0,2 KB, 0,5 KB, 1 KB, 5 KB ou 10 KB. Cosiderou-se somete o cosumo de eergia do modo de trasmissão do rádio. Neste ceário, para o S-MAC trasmitir 0,2 KB (205 bytes), serão ecessários 5 quadros para sialização (RTS-CTS) e 5 quadros para trasmissão de dados. O cosumo de trasmissão do rádio especificado é de 36 mj/s e o cosumo do ó o estado de repouso ão será levado em cosideração por apresetar um baixo cosumo de eergia. Cosiderado o período ativo de 20 ms, cosome-se 0,72 mj por quadro. Assim, o total do cosumo de eergia para o S-MAC trasmitir um arquivo de 0,2 KB é 10 quadros x 0,72 mj = 7,2 mj. Para o T-MAC trasmitir 0.2 KB são ecessários 2,5 ms para sialização (RTS-CTS), 85,31 ms para trasmissão dos dados e 15 ms para T A. O cosumo total do T-MAC para trasmitir 0,2 KB é de 4,33 mj. Para o ceário de uma rede de 32 ós sesores, o FS-MAC a parte de agedameto de acesso utiliza 32,5 bytes, correspodete a 13,55 ms para trasmissão, com a capacidade do rádio especificada. Assim, cosiderado um quadro de 100 ms, restam 86,45 ms (100 ms 13,55 ms = 86,45ms) para serem utilizados a trasmissão de dados. Desta forma, o cosumo total para trasmitir 0,2 KB utilizado o FS- MAC é (13,55 ms + 85,41 ms) x 0,036 mj = 3,56 mj. Os 85,41 ms é o tempo ecessário para trasmitir os 0,2 KB (205 Bytes) de dados. No caso do protocolo proposto SA-MAC, o ceário de uma rede de 32 ós, são ecessários 5 bits para idetificação do ó e mais 2 bits para alocação de caais, totalizado 7 bits para slot de tempo de acesso e também para cada slot de tempo de ACK. Como serão utilizados dois slots para agedameto de acesso e dois para cofirmação, serão ecessários 28 bits, além dos quatro bits de sicroização (totalizado 32 bits, correspodete a 4 bytes). Os 4 bytes correspodem a 1,67 ms que são destiados ao agedameto de acesso, cofirmação do quadro (ACK) e sicroização, sedo que o restate, 98,33 ms (236 Bytes) serão destiados a parte de dados. Desta forma como 0,2 KB correspodem a 205 bytes, e o tamaho do quadro que restou para a parte de dados é de bytes, será ecessário apeas 1 quadro para trasmissão deste arquivo. Portato, o cosumo total do SA-MAC para trasmitir 0,2 KB é (1,67 ms + 85,41 ms) x 0,036 mj = 3,13 mj. Para os demais tamahos de arquivos, os cosumos de eergia podem ser calculados de modo similar, sedo que quato maior o arquivo, maior o úmero de quadros ecessários para efetuar a trasmissão. A Tabela I mostra o cosumo de eergia para o S-MAC, T-MAC, FS-MAC e do protocolo proposto SA-MAC cosiderado os diferetes tamahos de arquivos, para uma rede de 32 ós. A Tabela II mostra o cosumo de eergia para uma rede 128 ós. TABELA I CONSUMO DE ENERGIA DOS PROTOCOLOS PARA TRANSMISSÃO DE DIFERENTES TAMANHOS DE ARQUIVOS PARA UMA REDE DE 32 NÓS SENSORES. Protocolo/ 0,2KB 0,5 KB 1 KB 5 KB 10 KB Tam. Arq. S-MAC 7,20 mj 15,84 mj 31,68 mj 154,08 mj 308,16 mj T-MAC 4,33 mj 9,56 mj 19,14 mj 93,18 mj 186,36 mj FS-MAC 3,56 mj 9,14 mj 17,79 mj 89,00 mj 178,00 mj SA-MAC 3,13 mj 7,86 mj 15,66 mj 78,12 mj 156,24 mj TABELA II CONSUMO DE ENERGIA DOS PROTOCOLOS PARA TRANSMISSÃO DE DIFERENTES TAMANHOS DE ARQUIVOS PARA UMA REDE DE 128 NÓS SENSORES. Protocolo / 0,2KB 0,5 KB 1 KB 5 KB 10 KB Tam. Arq. S-MAC 7,2 mj 15,84 mj 31,68 mj 154,08 mj 308,16 mj T-MAC 4,33 mj 9,56 mj 19,14 mj 93,18 mj 186,36 mj FS-MAC 10,29 mj 24,53 mj 46,65 mj 233,27 mj 464,14 mj SA-MAC 3,15 mj 7,90 mj 15,73 mj 78,44 mj 156,89 mj Observa-se que para os protocolos S-MAC e T-MAC, diate do ceário proposto, o úmero de ós sesores a rede ão ifluecia o cosumo de eergia. O S-MAC tem um alto cosumo de eergia por ter períodos fixos de trasmissão e repouso. O T-MAC e o FS-MAC alcaçam um cosumo de eergia mais eficiete quado comparado ao S-MAC, ode o FS-MAC é mais ecoômico que o T-MAC para uma rede pequea (32 ós Tabela I). Se aumetar o úmero de ós, como é esperado, o FS-MAC é meos eficiete que o T-MAC (128 ós, Tabela II). O FS-MAC, com grade úmero de sesores e um tamaho do quadro meor, é bastate ieficiete em comparação aos outros protocolos. Isso se deve ao alto overhead, cosiderado o fato de que o FS-MAC reserva um slot de agedameto de acesso para cada ó da rede. Se aumetar o tamaho do quadro, o FS-MAC melhora a sua eficiêcia em termos de cosumo de eergia. Por exemplo, para um quadro de 600 ms, o overhead é meor, pois restará um tempo maior para parte destiada a dados. O SA-MAC é o protocolo que apreseta o meor cosumo de eergia idepedete do tamaho da rede e do quadro, quado comparado aos outros protocolos. Na próxima seção apresetase um modelo de aálise do atraso do SA-MAC. V. ANÁLISE DO ATRASO DOS PACOTES NO SA-MAC No protocolo proposto SA-MAC, os pacotes que chegam aos ós sesores são submetidos a dois tipos de atraso. O primeiro tipo de atraso é devido à solicitação de agedameto para posteriormete trasmitir os slots de dados. Neste caso há uma disputa o caal de acesso com outros ós sesores e pode haver

5 retrasmissões de solicitação. O segudo tipo de atraso é devido ao esquema de escaloameto o ó sesor cetral que orgaiza a seqüêcia com que os pacotes devem ser trasmitidos. A aálise desses dois tipos de atraso pode ser feita separadamete. Para a aálise serão feitas as seguites suposições. Os pacotes que são gerados os ós sesores são esporádicos, diferetes do tráfego de Iteret, e serão modelados como chegadas poissoiaas de taxa média G (pacotes/quadro). Para a aálise do atraso devido à solicitação de agedameto, será cosiderado que depois de r quadros o ó sesor saberá se houve sucesso ou falha a trasmissão. Para o cálculo de espera devido à retrasmissão será levado em cota os parâmetros da Fig. 3. C P r.p k.p C Tempo Fig. 3. Diagrama de tempo para aálise do tempo de retrasmissão. Na Fig.3, o C represeta o tempo de um dos caais de acesso utilizado para trasmitir as iformações de agedameto em cada quadro de comprimeto P, e embora este tempo de trasmissão seja pequeo em relação ao quadro, será cosiderado que o total de trasmissão seja P, o tamaho total do quadro, que leva em cota o tempo de processameto e a sua resposta que só ocorre o quadro seguite. A parte r.p correspode ao tempo que um ó sesor deve esperar para saber se houve sucesso ou falha a tetativa de acesso e a parte k.p correspode ao tempo devido à retrasmissão (backoff time). q = e K / K G S (4) + e K e K 1 / K e e / K G S qt = e e e e + (5) K 1 Substituido as Eqs. 2, 3, 4 e 5 a Eq. 1, obtém-se: 1 q K + 1 E{ R} = rp + P (6) qt 2 Para slotted Aloha, a vazão S é dada por [11]: q t S = G (7) 1+ qt q Utilizado as expressões acima, o valor E{R} pode ser calculado umericamete. O tempo médio de trasferêcia T, devido somete ao acesso de agedameto, tem quatro compoetes: a) tempo de trasmissão do pacote de iformação, P; b) o tempo de espera após a chegada do pacote até o iício do próximo quadro, P/2; c) o atraso devido a retrasmissão, E{R} e o atraso de propagação, τ. Assim, T é dado por: T = P + P/2 + E{R} + τ A Tabela III mostra o desempeho do SA-MAC em relação ao atraso de trasferêcia para diferetes valores de taxa de chegada de pacotes em cada ó sesor (λ pac./seg.) e de úmero de ós sesores (). O tamaho do quadro P utilizado é 100 ms, r =1 (sigificado que o ACK chega o quadro seguite) e o valor de K é igual a 5. TABELA III VARIAÇÃO DO TEMPO DE ATRASO DO ESQUEMA DE AGENDAMENTO DE ACESSO DO SA-MAC G (PAC./P);S (%) E T (SEG.) Taxa Chegada λ = 0,05 pac./s Taxa Chegada λ = 0,1 pac/s Taxa Chegada λ = 0,2 pac/s Nós G S T Nós G) S T Nós G S T 10 0,05 0,047 0, ,1 0,088 0, ,2 0,158 0, ,1 0,088 0, ,2 0,158 0, ,4 0,254 0, ,15 0,125 0, ,3 0,212 0, ,6 0,31 0, ,25 0,187 0, ,5 0,286 0, ,0 0,347 0, ,4 0,254 0, ,8 0,338 0, ,6 0,312 0, ,5 0,286 0, ,0 0,347 0, ,0 0,267 2, ,0 0,347 0, ,0 0,267 2, ,0 0,075 20,925 k é uma variável aleatória (iteira) que represeta o úmero de quadros que um ó deve esperar até que possa ovamete trasmitir o caal de acesso e é depedete da estratégia de backoff. O valor máximo de k é K-1. O atraso de retrasmissão pode ser escrito como: E{R} = E{H}. (1 + r + E{k}).P (1) ode E{H} é o úmero médio de tetativas de retrasmissão. Para uma estratégia de backoff expoecial E{k} e E{H} são dados por [11]: 1 E { k} = K (2) 2 q E{ H} = 1 (3) q t Ode, q é a probabilidade de sucesso de trasmissão, dado que a trasmissão é um pacote ovo, e q t é a probabilidade de sucesso de trasmissão, dado que a trasmissão é um pacote de retrasmissão. As expressões de q e q t podem ser calculadas em fução de S (vazão), G e K, e são dadas por [11]: O atraso de propagação τ será desprezado. Para os três diferetes valores da taxa de chegada λ, apresetados a Tabela III, observa-se que a vazão máxima é alcaçada quado os valores de G = 1 e S = 0,347, obtedo-se assim, o úmero máximo de ós correspodetes a rede que são 200, 100 e 50. Etretato, esses valores já estão em potos de istabilidade. Para operar em regiões estáveis pode-se adotar o seguite critério de projeto. Como a rede de sesores em estudo ecessita um atraso cotrolado, pode-se limitar o atraso máximo em, por exemplo, 0,5 seg., obtedo-se, este caso, 100, 50 e 25 ós para as taxas de chegada 0,05, 0,1 e 0,2 pac/seg, respectivamete. Observe-se que este modelo de aálise foi utilizado somete um mii-slot para o acesso de agedameto. Como o esquema do protocolo SA-MAC pode-se utilizar mais de um mii-slot para acesso de agedameto, o úmero de ós pode ser dobrado para cada aumeto de mii-slot. Assim, para taxa de chegada λ=0,1 e = 10, o valor de G=0,1 para um miislot, cosiderado dois mii-slots, G será igual a 0,2, correspodete a 20 ós.

6 Para a aálise do segudo tipo de atraso devido ao escaloameto dos pacotes o ó sesor cetral, pode-se cosiderar que os buffers de armazeameto dos pacotes estão distribuídos em cada um dos ós sesores e que são atedidos através de slots de dados de comprimeto fixo em cada quadro. Desta forma, como até ós sesores podem ser atedidos a cada quadro, o modelo de fila M/D/ pode ser utilizado para a estimativa de atraso devido ao escaloameto, cosiderado um esquema de atedimeto FIFO. A expressão exata do tempo de espera para a fila M/D/ é difícil de ser obtida, mas existe uma aproximação dada por Molia, citada em [12] que será adotada: A 1 h w E A (8). 2, ( ) A A 1 ode, A é a itesidade de tráfego total dada em erlags, h o tempo de serviço e E 2, (A) é a fórmula de Erlag de 2 a espécie. Para estimar o atraso de escaloameto foram adotados os seguites valores: taxa de chegada λ de 0,05, 0,1, 0,2 e 0,5 pac./seg., um tempo de serviço dado pela difereça de tamaho de quadro P = 0.1 seg. e o tempo referete ao acesso de agedameto e de cofirmação de 0,00167 (sedo que este tempo varia de acordo com o úmero de ós), dividido por úmero de slots de dados ou servidores que foi estipulado em = 3. O úmero de ós varia etre 10 e 150 ós. A Tabela IV apreseta os resultados dos atrasos devido ao escaloameto. Pode-se observar que com os parâmetros dados, os atrasos permaecem pequeos. Etretato, os atrasos podem-se torar sigificativos se houver o aumeto de úmero de ós. Por exemplo, para uma taxa de chegada λ de 0,5 pac/seg. e com uma rede de 180 sesores, o atraso pode chegar a 0,5 seg. Portato, este atraso deve ser cotrolado de acordo com a aplicação específica. O atraso de escaloameto deve ser somado ao atraso de agedameto para obter o atraso total de um pacote desde a sua chegada até à sua trasferêcia ao destio. TABELA IV ATRASO DO ESCALONAMENTO DE TRANSMISSÃO DO SA-MAC λ=0,05 λ=0,1 λ=0,2 λ=0,5 + 1 Nós w w W w 10 6,0 E-09 4,7 E-08 3,7 E-07 5,7 E ,7 E-08 3,7 E-07 2,9 E-06 4,3 E ,5 E-07 1,2 E-06 9,7 E-06 1,4 E ,2 E-07 5,6 E-06 4,3 E-05 6,2 E ,9 E-06 2,2 E -05 1,6 E-04 2,6 E ,6 E-06 4,3 E-05 3,2 E-04 5,5 E ,8 E-05 1,3 E-04 1,0 E-03 3,6 E-02 VI. CONCLUSÕES Neste artigo foi proposto um ovo protocolo MAC para redes de sesores baseados em TDMA, deomiado SA-MAC. É um protocolo voltado para uma aplicação específica, como sistemas médicos, ode os sesores estão altamete cocetrados em uma área restrita, apresetado um baixo tráfego e atraso reduzido. A pricipal característica do protocolo proposto é o esquema de agedameto de trasmissão simplificado, resultado em um baixo cosumo de eergia e overhead reduzido. O cosumo de eergia do protocolo SA-MAC comparado ao S-MAC, T-MAC e FS-MAC, mostrou-se mais eficiete, pelo fato de ser mais flexível a forma de se fazer o acesso de agedameto, idepedete de úmero de ós da rede. Quato ao atraso do protocolo SA-MAC, o pricipal atraso foi devido acesso de agedameto. Como este atraso é devido à disputa de caal de acesso e a coseqüete retrasmissão de pacotes, pode-se defiir um limiar máximo de atraso médio e estimar o úmero de ós para satisfazer um determiado atraso ecessário pela aplicação. O outro atraso devido ao escaloameto o ó cetral pode ser matido com valores sigificativamete baixos cotrolado o úmero de ós ou aumetado o úmero de slots de dados. REFERÊNCIAS [1] W. Ye, J. Heidema ad D. Estri, A eergy-efficiet MAC protocol for wireless sesor etworks, i Proceedigs of the IEEE Iteratioal Coferece o Computer Commuicatio, pp , USC/Iformatio Scieces Istitute, New York, USA, [2] T. Va Dam ad K. 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