Controle Adaptativo de Erros para Redes de Sensores sem Fio usando Informação de Área de Cobertura

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1 Contole Adaptativo de Eos paa Redes de Sensoes sem Fio usando Inomação de Áea de Cobetua João H. Kleinschmidt e Walte C. Boelli Depatamento de Telemática Faculdade de Engenhaia Elética e de Computação Univesidade Estadual de Campinas {joaohk,boelli}@dt.ee.unicamp.b Resumo Este atigo popõe estatégias adaptativas de contole de eos paa edes de sensoes usando valo de inomação de mensagens. O valo de inomação é baseado na áea de cobetua dos sensoes. Os pacotes mais impotantes são potegidos po esquemas com maio capacidade de coeção de eos do que pacotes menos impotantes. Foam analisados códigos BCH e esquemas de etansmissão com modulação OQPSK. Os esultados obtidos mostam que os esquemas adaptativos melhoam a coniabilidade de pacotes com alto valo de inomação sem aumenta de maneia signiicativa o consumo de enegia. Abstact This pape poposes adaptive eo contol stategies o wieless senso netwoks using inomational value o messages. The inomational value is based on sensos coveage aea. Impotant packets ae potected by moe poweul eo contol schemes than less impotant packets. BCH codes and etansmission schemes wee analyzed using OQPSK modulation. The esults obtained show that the adaptive schemes impove the eliability o packets with high inomational value without a signiicant incease in the enegy consumption. 1. Intodução As edes de sensoes sem io são omadas po dispositivos que possuem componentes paa sensoiamento, pocessamento de dados e comunicação [1]. A economia de enegia nestas edes é uma questão muito impotante, pois gealmente a substituição de bateias não é possível e uma ede deve opea po váios meses ou até anos. Algumas aplicações destas edes são o monitoamento ambiental em locais como loestas e oceanos, teste de qualidade de podutos num ambiente industial, ente outas. O senso deve envia os dados paa um dispositivo cental, chamado de coleto. Os canais sem io possuem altas taxas de eo devido à inteeência e ao desvanecimento geado pelo multipecuso, levando ao despedício de enegia. Algumas técnicas podem se empegadas paa melhoa a coniabilidade dos dados enviados no canal sem io, como o uso de estatégias de etansmissão (ARQ), códigos coetoes de eo (FEC) ou o contole da potência de tansmissão [2]. Emboa que estatégias de contole de eos melhoem a coniabilidade de entega de pacotes, a tansmissão de bits adicionais nestes esquemas contibui também paa o aumento do consumo de enegia, ou seja, existe um compomisso ente a coniabilidade e o consumo de enegia. Alguns autoes têm estudado esta questão paa esquemas de contole de eos em edes de sensoes sem io [3], [4], [5], [6], [7], [8]. A codiicação de canal utiliza códigos coetoes de eos paa combate eos de bit adicionando edundância (bits de paidade) aos pacotes de dados antes que sejam tansmitidos. Esta edundância é usada pelo ecepto paa detecta e coigi eos. Sistemas ARQ têm apenas a capacidade de detecta eos e não é eita nenhuma tentativa paa coigi os pacotes ecebidos com eo; é eita uma equisição paa que os pacotes ecebidos com eo sejam etansmitidos. A detecção de eos é gealmente eita usando um código CRC (Cyclic Redundancy Check). Alguns tabalhos analisam a eiciência de enegia de dieentes esquemas de contole de eos em edes de sensoes [3], [4], [5]. A melho opção é usa esquemas adaptativos que mudam a coeção de eos no pacote de acodo com alguma vaiável [6], [7], [8]. Em [7] são popostos esquemas adaptativos que

2 mudam o tipo de contole de eos utilizado de acodo com o númeo de saltos da ede e da qualidade do canal sem io. Em [8] é usado um esquema semelhante, onde um pacote seá mais potegido de acodo com o valo da inomação do pacote. Este valo da inomação é baseado no númeo de saltos que o pacote pecoeu na ede. Quanto maio o númeo de saltos, maio o valo da inomação e, consequentemente, maio deve se a capacidade de detecção e coeção de eos. Estes tabalhos [7], [8] consideam os pacotes com maio númeo de saltos como os mais impotantes poque já utilizaam bastante enegia da ede. Se oem pedidos, toda esta enegia oi despediçada. Neste tabalho é poposta uma nova abodagem paa calcula o valo de inomação de um pacote, baseada na áea de cobetua de um senso. Este valo de inomação é usado em uma estatégia de contole de eos adaptativa. O conceito de valo de inomação é apesentado na Seção II. A Seção III desceve o modelo de simulação utilizado e na Seção IV são apesentadas estatégias de contole de eos adaptativas usando códigos BCH (Bose-Chaudhui- Hocquenghem) e ARQ. Os esultados obtidos são descitos na Seção V e a Seção VI az as consideações inais. 2. Valo de inomação A melho maneia de quantiica o valo de inomação é te conhecimento da aplicação da ede. Como as edes de sensoes têm inúmeas aplicações, o valo de inomação vaia paa cada uma delas. Nesta seção é poposto um método paa cálculo do valo de inomação baseado na áea de cobetua dos sensoes, que pode se usado e adaptado paa divesas aplicações. Um métodos de quantiica a inomação é baseado em medidas de contagem. Medi o valo de inomação baseado em contagem pode se deinido como o númeo de leituas de sensoes agegadas em um pacote. Esta abodagem é ácil de calcula e não pecisa de nenhuma inomação adicional da ede. Quando um senso 1 envia uma leitua de dados paa um senso 2, o valo de inomação V é 1. Se o senso 2 agega no pacote a sua leitua de dados, o valo de inomação passa a se 2. Se o senso 2 apenas epassa a inomação do senso 1 paa o póximo nó, o valo de inomação continua sendo 1. A cada agegação de dados V é aumentado em uma unidade. Essa oi a abodagem utilizada em [8] paa cálculo de V. No entanto, a medida do valo de inomação baseada em contagem tem suas desvantagens. Se os sensoes estão distibuídos aleatoiamente numa egião, algumas áeas podem se obsevadas po muitos sensoes e outas po poucos sensoes. A Figua 1 mosta um caso onde os sensoes não estão distibuídos de maneia uniome. A ede possui oito sensoes, poém cinco cobem uma egião pequena e apenas tês cobem uma outa egião de áea maio. Figua 1. Rede com sensoes distibuídos de oma desigual Se a medida de V baseada em contagem osse usada, o lado esquedo da ede da Figua 1 contibuiia com mais inomação. No entanto, isto não é vedade, pois o lado dieito cobe uma egião maio com menos sensoes e isso deveia inluencia o valo de inomação. Uma opção paa este poblema é medi o valo V baseado na áea obsevada pelos sensoes. A poposta desta seção paa cálculo de V é usa o conceito de densidade espacial, deinida pelo númeo de sensoes n s numa dada áea A: n d = s s. (1) A O valo de inomação V k da k-ésima medida de um senso é dado po: 1 V k =. (2) d s Po exemplo, considee uma egião de áea 100 m 2 sendo monitoada po 50 sensoes. A áea total é dividida em sub-áeas que são monitoadas po uma deteminada quantidade de sensoes. Se a sub-áea 1 de 20 m 2 é cobeta po 5 sensoes, d s1 =n s1 /A 1 =5/20=0.25. Uma sub-áea 2 de 15 m 2 monitoada po 20 sensoes tem d s2 =n s2 /A 2 =20/15=1.33, e assim po diante. Quanto mais sensoes estiveem cobindo uma áea, maio seá a densidade espacial e meno o valo de V. Um contole de eos mais obusto seá aplicado quando V o gande e menos contole de eos quando V o pequeno. 3. Modelo de simulação As simulações oam eitas usando o sotwae Matlab usando as pobabilidades de eos de pacote descitas nesta seção. Paa cada tansmissão/ecepção é atualizada a enegia consumida e se o pacote oi ecebido coetamente ou não.

3 O pacote de dados da camada de enlace é a unidade de comunicação ente os nós sensoes da ede, consistindo de um cabeçalho de c bits, um taile de t bits e d bits de dados, como mosta a Figua 2. Os dados possuem um código CRC paa detecção de eos. O pacote de etono ACK no caso de etansmissão possui o mesmo omato, poém sem o campo paa dados. Figua. 2. Fomato do pacote Um pacote enviado não é aceito pelo ecepto quando qualque um dos cinco eventos acontece: (A) o cabeçalho do pacote enviado está coompido; (B) o destino alha ao sinconiza com o taile do pacote enviado; (C) os dados do pacote enviado estão coompidos, causando alha na veiicação de CRC; (D) o cabeçalho do pacote de etono está coompido e (E) a onte é incapaz de sinconiza com o taile do pacote de etono. Está sendo assumido que os eos são estatisticamente independentes. O cabeçalho é ecebido coetamente se todos os bits são ecebidos coetamente: c A] = 1 p( γ ), (3) [ ] onde p( γ ) é a pobabilidade de eo de bit do canal dieto em unção da elação sinal-uído (SNR) média ecebida γ. Como o pacote de etono ACK também tem um cabeçalho de c bits, a pobabilidade paa o evento D tem a mesma oma, c D] = [ 1 p( γ )], (4) onde p( γ ) é a pobabilidade de eo de bit do canal eveso. Os eventos B ou E ocoem se qualque bit do taile de sinconização o ecebido com eo: t B] = 1 p( γ ) (5) [ ] t [ 1 p( γ )] E ] = (6) O eo mais povável é o do tipo C, que ocoe quando os bits de dados são ecebidos com eos. Paa o caso sem nenhum tipo de código coeto de eos: [ 1 p( γ )] d C ] =, (7) Paa pacotes em que os dados são potegidos com um código coeto de eos, a pobabilidade do evento C é calculada consideando a capacidade de coeção do código. Paa um código BCH (n,k,t) capaz de coigi até t eos numa palava código, é dada po: t n k n k C ] = [ p( γ )] [ 1 p( γ )] (8) k = 0 k A pobabilidade de eo de bit p(γ ) vaia com o tipo de modulação utilizada paa tansmissão. Neste tabalho é usada a modulação OQPSK (Oset Quadatue Phase-Shit Keying), que é utilizada no padão IEEE paa edes de sensoes. A pobabilidade de eo de bit paa a modulação OQPSK é dada po [9]: p ( γ ) = Q( 2γ ), (9) onde Q ( x) : 2 1 u Q( x) = exp du. 2 x 2 (10) π Assim, a pobabilidade de eo de pacote do canal dieto, PER, e eveso, PER, podem se deinidas po: PER = PER 1 ( ) 0 A] B] C] dγ γ (11) = 1 ( γ ) D] E] dγ, (12) 0 onde (γ ) e (γ ) são as unções densidade de pobabilidade da SNR do canal dieto e eveso, espectivamente. O canal sem io é modelado usando desvanecimento Rayleigh. Esta distibuição é amplamente utilizada paa a modelagem de canais sem io. A unção densidade de pobabilidade é dada po: 1 γ ( γ ) = exp, paa γ 0 (13) γ γ onde γ é a SNR média ecebida e γ é a SNR instantânea. As pobabilidades de eo de pacote podem então se calculadas usando a equação (13) em (11) e (12). Está sendo consideado que as condições de popagação ente o tansmisso e o ecepto são as mesmas nas duas dieções, ou seja, γ = γ. A coniabilidade é dada pela pocentagem dos pacotes enviados que chegam coetos no coleto. Sendo n pac o númeo total de pacotes enviados pelo senso e n eo o númeo de pacotes que chegam com eo no nó coleto, a coniabilidade C é dada po: C = n n ) / n ] (14) [( pac eo pac Como não está sendo usado nenhum hadwae especíico, o consumo de enegia é expesso de oma nomalizada. As enegias consideadas são as gastas no pocesso de comunicação (tansmissão e ecepção) e decodiicação. A enegia gasta na codiicação é muito pequena [3], [7], [10] e está sendo consideada despezível. É consideado o mesmo modelo de [4] e [5], onde a ecepção de um bit consome apoximadamente 75% da enegia gasta paa tansmiti um bit. A enegia mínima consumida E min é calculada paa um pacote sem nenhum contole de eos:

4 ( n + n ) E min = n pac bits bits 0.75, (15) onde n bits é o númeo total de bits do pacote. A enegia consumida total E numa ede de sensoes paa um pacote sem ARQ é o númeo total de bits tansmitidos e ecebidos mais a enegia gasta na decodiicação E dec : pac ( n + n. E ) E = n (16) bits bits A enegia E dec paa um código BCH (n,k,t) com m memóias pode se calculada usando o númeo de instuções de pocessado necessáias paa aze a decodiicação [10]. O númeo de instuções n inst é dado po [10]: n inst = kt ( t + 1) m + 2tm + (( k + 2) t( t + 1) + (3t 2) n + (17) 2( t + 1)( t + 3)) + ( kt ( t + 1) + (3t 2)( n 1) + 2t( t + 1)) A enegia gasta na tansmissão de um bit é muito maio que a enegia gasta pelo pocessado paa executa uma instução [3], [11]. Neste tabalho são consideados os paâmetos de [11], onde a enegia de tansmissão é apoximadamente 2700 vezes maio que a enegia gasta paa executa uma instução. Logo, a enegia de decodiicação é dada po: ninst E dec = (18) 2700 Paa os pacotes com ARQ, a enegia E é o númeo total de bits tansmitidos e ecebidos, incluindo as etansmissões: E n n + n + ( n + n ) 0.75 (19) dec [ ] = pac bits ack bits ack onde n ack é o númeo total de bits do pacote de etono. 4. Contole de eos adaptativo De acodo com o valo de inomação V uma dieente poteção de eos seá escolhida paa a mensagem. Quanto maio o valo de V, maio deve se a capacidade de coeção de eos. Existe uma elação ente o valo de inomação e a poteção escolhida V P (V). O poblema está em como aze este mapeamento, já que as popiedades de P não são conhecidas. Usa uma unção podeia se uma solução. Esta unção ecebeia como paâmeto o valo V e etonaia o valo de poteção P desejado, indicando que deveia se usado um código com capacidade de coeção de P eos, po exemplo. No entanto, enconta uma unção adequada não é uma taea simples [8]. Outa opção é usa tabelas que açam o mapeamento V P (V). Paa cada valo ou aixa de valoes V i, deteminada poteção de eos é aplicada. Esta é a abodagem utilizada neste atigo paa escolhe o contole de eos. Cada aplicação pode te uma tabela dieente, de acodo com as suas necessidades. Antes do nó senso envia os dados, calcula o valo de inomação V i e pocua na tabela a poteção P coespondente. Esse é o contole de eos a se utilizado no pacote. Neste tabalho são usados dois tipos de contole de eos: códigos BCH e etansmissão (ARQ). Paa o contole de eos adaptativo usando valo de inomação baseado em áea, oam deinidos tês tipos de egiões: 1) Região muito densa: d s 1; 2) Região densa: 0.5 < d s < 1; 3) Região pouco densa: d s 0.5. Cada pacote de dados oiginado po um senso de uma egião teá um contole de eos dieente, baseado na densidade espacial d s. O senso deve te essa inomação geogáica. Baseado na densidade d s, o valo de inomação V pode se calculado. Tês esquema adaptativos são popostos, usando códigos BCH, ARQ e híbido (BCH/ARQ), como mosta a Tabela 1. Quanto maio o valo de V, mais obusta deve se a coeção de eos. No código BCH, isto é eito aumentando a capacidade de coeção de eos t. Paa ARQ, é eito aumentando o númeo máximo de etansmissões. Acha o mapeamento ótimo V P (V) não é uma taea tivial. Foam eitas váias simulações com dieentes estatégias. Os esultados oam analisados e os esquemas adaptativos oam sendo melhoados baseados nesses esultados obtidos, até chega nos esquemas da Tabela 1. Tabela 1. Contole de eos adaptativo Contole de eos Valo de inomaçã BCH/ARQ ARQ o BCH adaptativo adaptativo adaptativo (código/ etansmissões etansmissões) V 1 sem código 1 BCH (127,120,1) / 1 1 < V < 2 BCH (127,99,4) 5 BCH (127,106,3) / 4 V 2 5. Resultados BCH (127,64,10) 10 BCH (127,64,10) / 10 Os esultados oam obtidos atavés de simulação. Os pacotes são enviados dos nós sensoes dietamente paa o coleto (1 salto). As simulações oam eitas com os seguintes paâmetos: n pac =100000, pacotes com 24 bits de cabeçalho, 8 bits de taile e 120 bits de dados. A ede de sensoes simulada possui tês egiões com densidades espacias dieentes. Uma egião R 1 possui d s1 1; egião R 2 com 0.5 < d s2 < 1 e R 3 com d s 0.5, caacteizando egiões muito densas, densas e

5 pouco densas. O valo de n pac é o total de pacotes das tês egiões, sendo que cada egião gea 1/3 desse total. As Figuas 3 a 8 apesentam os esultados obtidos. A Figua 3 compaa a coniabilidade paa pacotes com valo de inomação V 2 de dieentes esquemas usando código BCH, BCH adaptativo e BCH/ARQ adaptativo. Estes pacotes são os que contêm inomação mais impotante. Pode-se obseva que a coniabilidade é maio quando usada a estatégia BCH/ARQ adaptativo. Paa uma elação sinal-uído de 5 db, po exemplo, um pacote sem coeção de eo teia pouco mais de 30% de chances de se ecebido coetamente no coleto. Com BCH adaptativo, a coniabilidade aumenta paa mais de 50% e paa o BCH/ARQ adaptativo paa mais de 90%. Paa valoes altos de SNR, acima de 20 db, a coniabilidade de todas as estatégias é muito paecida po existiem poucos eos no canal. A Figua 4 mosta a coniabilidade paa pacotes com valo de inomação V k 2 de dieentes estatégia ARQ. Foam usadas estatégias com no máximo 2 etansmissões (ARQ-2), 5 etansmissões (ARQ-5), esquema ARQ adaptativo e esquema BCH/ARQ adaptativo. Os dois esquemas adaptativos são os que possuem a melho coniabilidade. No entanto, os esquemas adaptativos têm um consumo de enegia maio, como pode se visto nas Figuas 5 e 6. Esta enegia é a enegia total consumida na ede, incluindo os pacotes com qualque valo V. A vantagem do BCH adaptativo é aumenta a coniabilidade de pacotes com V alto sem aumenta de oma muito signiicativa o consumo de enegia, se compaado com o código BCH com t=2, po exemplo. O esquema BCH/ARQ adaptativo tem um consumo de enegia bem maio que as demais estatégias paa valoes baixos de SNR neste cenáio de simulação. Poém, o consumo de enegia dos esquemas adaptativos é dependente da pocentagem do total de pacotes (n pac ) que possuem V alto. Se poucos pacotes tiveem V 2, o consumo de enegia cai bastante, enquanto a coniabilidade pemanece alta. Isto poque os esquemas adaptativos gastam mais enegia (usando coeção de eos obusta) apenas em pacotes com valo de inomação alto. A desvantagem de um esquema adaptativo pode se visto nas Figuas 7 e 8, que mostam a coniabilidade paa pacotes com V 1. Como os pacotes tem V baixo, o esquema adaptativo não usa códigos com gande capacidade de coeção de eos. Mas como são pacotes menos impotantes a sua peda não taz poblemas paa a aplicação. Figua 3. Coniabilidade de esquemas BCH paa V 2 Figua 4. Coniabilidade de estatégias ARQ paa V 2 Figua 5. Enegia consumida de esquemas BCH

6 consumida na ede. Dieentes tipos de FEC e esquemas híbidos FEC/ARQ também podem se analisados em tabalhos utuos. As estatégias popostas podem se utilizadas e adaptadas paa divesas aplicações de edes de sensoes paa aumenta a coniabilidade de mensagens consideadas mais impotantes na ede. 7. Reeências Figua 6. Enegia consumida de estatégias ARQ Figua 7. Coniabilidade de esquemas BCH paa V 1 [1] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankaasubamaniam e E. Cayici, A suvey on senso netwoks, IEEE Communications Magazine, pp , Agosto [2] H. Liu, H. Ma, M. El Zaki e S. Gupta, Eo contol schemes o netwoks: an oveview, Mobile Netwoks and Applications, vol. 2, pp , Junho [3] Y. Sankaasubamanian, I. F. Akyildiz e S. W. Mc Laughlin, Enegy eiciency based packet size optimization in wieless senso netwoks, Poc. o Senso Netwok Potocols and Applications, [4] H. Kavonen, Z. Shelby e C. Pomalaza-Ráez. Coding o enegy eicient wieless embedded netwoks, Int. Wokshop on Wieless Ad-hoc Netwoks, [5] J. H. Kleinschmidt, W. C. Boelli e M. E. Pellenz, An analytical model o enegy eiciency o eo contol schemes in senso netwoks, IEEE Intenational Coneence on Communications, Glasgow, Escócia, Junho [6] J. Mee, M. Nijdam e M. Bijl, Adaptive eo contol in a wieless senso netwok using packet impotance valuation, Hadwae/sotwae co-design, Enschede, Holanda, Maio [7] J. H. Kleinschmidt, W. C. Boelli e M. E. Pellenz, An enegy eiciency model o adaptive and custom eo contol schemes in Bluetooth senso netwoks, AEU Intenational Jounal o Electonics and Communications, Elsevie, in pess, [8] A. Kopke, H. Kal e M. Lobbes, Using enegy whee it counts: Potecting impotant messages in the link laye, Euopean Wokshop on Wieless Senso Netwoks, Janeio [9] B. Skla, Digital Communications, Pentice Hall, [10] C. Desset e A. Fot, Selection o channel coding o low-powe wieless systems, Poc. IEEE Vehicula Technology Coneence, Jeju, Koea, Abil [11] V. Raghunathan, C. Schuges, S. Pak e M. B. Sivastava, Enegy awae wieless mico senso netwoks, IEEE Signal Pocessing, pp , Maço Figua 8. Coniabilidade de estatégias ARQ paa V 1 6. Conclusão Neste atigo oam popostas estatégias adaptativas de contole de eos usando valo de inomação de mensagens. Pacotes oiginados de áeas cobetas po um meno númeo de sensoes têm maio valo de inomação. Os esquemas adaptativos BCH e ARQ aumentam a coniabilidade de pacotes com alto valo de inomação quando compaados à contole de eos estáticos, sem um gande aumento na enegia