GERENCIAMENTO DINÂMICO DE ENERGIA EM REDES DE SENSORES SEM FIO: UMA ABORDAGEM ORIENTADA À APLICAÇÃO

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1 RODRIGO MARINHO PASSOS GERENCIAMENTO DINÂMICO DE ENERGIA EM REDES DE SENSORES SEM FIO: UMA ABORDAGEM ORIENTADA À APLICAÇÃO Belo Horizonte 30 de Março de 2005

2 RODRIGO MARINHO PASSOS GERENCIAMENTO DINÂMICO DE ENERGIA EM REDES DE SENSORES SEM FIO: UMA ABORDAGEM ORIENTADA À APLICAÇÃO Dissertação apresentada ao Curso de Pós- Graduação em Ciência da Computação da Universidade Federal de Minas Gerais como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Ciência da Computação. Belo Horizonte 30 de Março de 2005

3 Resumo Energia é um recurso limitado em redes de sensores sem o. De fato, a redução do consumo de energia é crucial para aumentar o tempo de vida de redes de sensores com baixa disponibilidade de energia. Conseqüentemente, o nó sensor deve ser eciente em energia em todos os aspectos, desde o projeto de arquitetura até o processo de comunicação. Com o objetivo de reduzir o consumo de energia em tempo de execução, muitas abordagens em gerenciamento dinâmico de energia (Dynamic Power Management - DPM) têm sido propostas para seletivamente desligar componentes de hardware ociosos. Neste trabalho, uma nova técnica de gerenciamento dinâmico de energia é apresentada. Esta técnica consiste no desligamento seletivo do rádio do nó sensor e outros componentes de hardware, com base em informações da camada de aplicação. A técnica DPM é modelada utilizando-se autômatos híbridos (Hybrid Automata Framework), que são utilizados para representar diferentes modos de operação (duty cycle), de acordo com as necessidades de qualidade de serviço (Quality of Service - QoS) da aplicação. As informações da camada de aplicação e as necessidades de QoS são utilizadas para determinar o modo de operação do nó sensor e para balancear conservação de energia e taxa de entrega de dados. As informações da camada de aplicação, representadas pelo comportamento do ambiente no qual o nó sensor está inserido e pelo comportamento dos vizinhos do nó sensor, são utilizadas também para questionar a necessidade de comunicação e para determinar a taxa de comunicação. Os esforços deste trabalho são focalizados no processo de comunicação, uma vez que ii

4 este é o maior consumidor de energia em nós sensores sem o. Uma vez que as informações da camada de aplicação são utilizadas no esquema de gerenciamento de energia, uma aplicação real de detecção de incêndio para redes de sensores sem o é apresentada. Esta aplicação é utilizada para realização de um estudo de caso da nova técnica de DPM proposta. A m de avaliar a técnica de DPM orientada à aplicação, esta é comparada com uma abordagem Sem-DPM, na qual os nós sensores operam sem o uso de uma técnica DPM. A nova técnica DPM também é comparada com um modelo DPM ideal (Ideal-DPM), que representa o comportamento ótimo (mas não realístico) de um DPM em termos de consumo de energia. Através de simulação, o desempenho da abordagem DPM orientada à aplicação é avaliado para uma rede singlehop e para uma rede multihop. Os impactos de comunicação resultantes do processo de desligamento do rádio são mostrados para diferentes algoritmos de roteamento. iii

5 Abstract Energy is a limited resource in wireless sensor networks. In fact, the reduction of power consumption is crucial to increase the lifetime of low power sensor networks. Therefore, the sensor node must be energy-ecient in all aspects, from the architecture design to the communication process. In order to reduce energy consumption at run time, several approaches for dynamic power management (DPM) have been proposed to selectively shutdown idle hardware components. In this work, we propose a new dynamic power management (DPM) technique that selectively shutdowns the sensor node radio and other hardware components based on the application-level information. The DPM technique is modeled using the hybrid automata framework, which is leveraged to represent dierent duty cycles, according to the application requirements of quality of service (QoS). The application-level information and the application requirements determine the sensor node duty cycle and the trade o between energy conservation and data delivery rate. The application-level information, represented by the sensor node environment behavior and the sensor node neighbors behavior, is also leveraged to question the need for communication and to determine the communication rate. We focus our eorts on the communication process, since it is the major consumer of energy in wireless sensor nodes. Since we use the application-level information in the power management scheme, we have modeled a real wireless sensor network application for re detection, to perform a case study of the new DPM technique proposed. In order to evaluate the applicationiv

6 driven DPM technique of this work, we compare it to a Non-DPM approach, where the sensor nodes do not use a DPM technique. We also compare it to an Ideal DPM model, that represents the best (but not realistic) DPM behavior in terms of energy consumption. We show, through simulations, the power savings obtained by our approach for a singlehop network and for a multihop network. We also show the communication impacts of turning o the radio for dierent routing algorithms. v

7 À minha noiva Juliana, por estar sempre ao meu lado, à minha mãe Sônia, pela eterna dedicação aos seus lhos, e à todas as pessoas que enfrentam seus problemas como obstáculos, mas nunca, como impedimentos para realização de seus sonhos. vi

8 Agradecimentos Agradeço à minha noiva Juliana, pelo amor, dedicação, paciência e companheirismo demonstrados durante a execução deste trabalho. Agradeço à minha mãe Sônia, por ter sempre acreditado em mim e por nunca ter medido esforços para minha educação e felicidade. Agradeço ao Prof. Claudionor José Nunes Coelho Jr. e ao Prof. Antônio Alfredo Ferreira Loureiro, pela conança em mim depositada e pelas sábias orientações que zeram deste trabalho uma realidade. Agradeço à Prof. Raquel Aparecida de Freitas Mini por suas dicas e orientações. Agradeço ao amigo e colega de mestrado Max do Val Machado por estar sempre disposto a ajudar e por ter contribuído com parte deste trabalho. Agradeço à equipe da empresa Devex Tecnologia e Sistemas Ltda, por me conceder a exibilidade de horário para a realização deste trabalho, principalmente aos amigos Guilherme Bastos Alvarenga e Luiz Thomaz do Nascimento, por sempre terem acreditado em mim, ao amigo Edierley Messias, pelo companheirismo e pela revisão de parte deste trabalho, e ao amigo José Alfred Raposo, pela paciência na revisão de meus textos em inglês. Agradeço à todos meus amigos, irmãos e familiares pela conança, incentivo, e principalmente, pelo respeito ao meu discreto "afastamento"durante este momento ímpar de minha vida. Agradeço à minha madrinha Rosa, pela conança e sábias palavras de incentivo e à minha avó, Rosita, pelo exemplo de vida. Agradeço também ao meu pai, que apesar de não estar mais presente sicamente neste mundo, contribuiu diretamente para a formação da pessoa que sou hoje. Finalmente, agradeço à todas as pessoas que de forma direta, ou indireta, zeram parte deste trabalho. vii

9 Sumário Lista de Figuras Lista de Tabelas xii xiii 1 Introdução Motivação Objetivos e Contribuições Organização do documento Redes de Sensores Visão Geral Características e Desaos Arquitetura Arquitetura da rede de sensores Arquitetura do nó sensor Comunicação Arquitetura de comunicação Disseminação de Dados Consumo de Energia Aplicações Aplicações militares viii

10 2.6.2 Aplicações ambientais Aplicações na área da saúde Aplicações residenciais Técnicas de Redução do Consumo de Energia em Redes de Sensores Sem Fio Introdução Redução do consumo de energia no nó sensor Gerenciamento estático de energia Gerenciamento dinâmico de energia Redução do consumo de energia na rede de sensores Comunicação Fusão de dados Hybrid Automata Framework Denição Autômatos híbridos em Redes de Sensores Gerenciamento Dinâmico de Energia Orientado à Aplicação Introdução Modelagem formal do DPM Ciclo de operação (Duty Cycle) Processo de comunicação eciente com DPM Otimizando fatores úteis de consumo de energia no processo de comunicação Evitando fatores de desperdício de energia no processo de comunicação Modelo DPM Ideal ix

11 Sumário x 6 Estudo de Caso: Aplicação para Detecção de Incêndio Introdução Aplicação para detecção de incêndio Autômato híbrido DPM para uma aplicação de detecção de incêndio Operação básica Avaliação de Desempenho Introdução Métricas de desempenho e conguração da simulação Resultados da simulação e análises Comunicação singlehop Comunicação multihop Conclusões e Trabalhos Futuros 107

12 Lista de Figuras 2.1 Funcionamento básico de uma rede de sensores sem o Arquitetura de um nó sensor Pilha de protocolos de rede de um nó sensor [3] Categorização das técnicas de redução do consumo de energia em redes de sensores sem o Representação gráca de um autômato híbrido Representação gráca de um autômato híbrido DPM Representação gráca de um ciclo de operação do DPM Exemplo de similaridade de dados reportados para o nó de monitoramento, a partir de nó sensores diferentes Representação gráca de um autômato híbrido para detecção de incêndio Operação básica dos modelos App-DPM e Ideal DPM Consumo de energia dos modelos de acordo com a probabilidade de fogo Energia restante em cada nó sensor após 5000 segundos de simulação para diferentes probabilidades de fogo

13 Lista de Figuras xii 7.3 Consumo de energia e taxa de entrega de dados, de acordo com a variação da probablidade de fogo. O comportamento da nova técnica DPM é mostrado para diferentes protocolos de roteamento, utilizando-se apenas os dados obtidos do ambiente como informação em nível de aplicação Consumo de energia e taxa de entrega de dados, de acordo com a variação da probabilidade de fogo. O comportamento da nova técnica DPM é mostrado para diferentes algoritmos de roteamento, utilizando dados sensoriados do ambiente e dados obtidos da vizinhança, como informações em nível de aplicação Tempo de sleeping de acordo com a variação da probabilidade de fogo. O comportamento da nova técnica DPM é mostrado para diferentes algoritmos de roteamento, utilizando dados do ambiente e da vizinhança, como informações em nível de aplicação Tempo de idle listening de acordo com a variação da probabilidade de fogo. O comportamento da nova técnica DPM é mostrado para diferentes algoritmos de roteamento, utilizando dados do ambiente e da vizinhança, como informações em nível de aplicação

14 Lista de Tabelas 2.1 Corrente para cada componente de hardware do nó sensor WeC motes [30] Modelo de consumo de energia do Mica2 [21] Porcentagem de economia de energia do modelo App-DPM em comparação com o modelo Ideal DPM e o modelo Sem DPM

15 Capítulo 1 Introdução 1.1 Motivação Redes de sensores sem o representam uma recente área de pesquisa e uma importante plataforma computacional devido a sua grande capacidade de realizar monitoramento e coleta de informações de diversos tipos de ambientes. A aplicabilidade de redes de sensores abrange diferentes áreas como: militar, industrial, médica e ambiental. Redes de sensores sem o e ad hoc diferem de redes tradicionais em muitos aspectos: fortes limitações de processamento, armazenamento de dados e energia, alta demanda por auto-organização, divisão de largura de banda, alta densidade de nós, sensoriamento e outros. Além disso, redes de sensores são normalmente projetadas para serem utilizadas em ambientes hostis, no qual o processo de recarga de nós sensores (tipicamente operados por bateria) pode ser praticamente impossível, o que torna o consumo de energia em nós sensores crucial para o tempo de vida da rede. A limitação de energia dos nós sensores requer que todos os seus aspectos sejam ecientes em termos de energia. Em tempo de projeto, muitos trabalhos têm sido realizados para tornar ecientes circuitos, arquitetura, protocolos de comunicação, algoritmos de roteamento e sensoriamento [42][51][7][31][28]. Em tempo de execução,

16 1.1 Motivação 2 técnicas de gerenciamento dinâmico de energia (Dynamic Power Management - DPM) têm sido utilizadas para desligar seletivamente componentes de hardware, evitando desperdícios de energia [18][11]. Estas técnicas exploram modos de operação (idle e sleep) nos quais o consumo de energia é menor, seguindo a losoa de realizar o trabalho a ser feito o mais rápido possível e dormir. Conseqüentemente, reduzindo o consumo de energia nos nós sensores e aumentando o tempo de vida da rede como um todo. Em redes de sensores multihop, o processo de comunicação é o maior consumidor de energia [20] e deve ser cuidadosamente projetado e realizado para reduzir o consumo necessário. Conseqüentemente, as principais fontes de ineciência no consumo de energia no processo de comunicação precisam ser identicadas. De acordo com [68][67], estas fontes podem ser dividas em: ineciência no consumo de energia útil e ineciência devido ao desperdício no consumo de energia. Fontes úteis de consumo de energia estão relacionadas com as principais tarefas do processo de comunicação de um nó sensor: transmissão (Tx), recepção (Rx) e roteamento de dados. No entanto, o consumo de energia útil não é necessariamente eciente. Por outro lado, as principais fontes de desperdício no consumo de energia estão relacionadas, mas não limitadas a: 1. Colisões: dois ou mais nós sensores vizinhos transmitem ao mesmo tempo, resultando na corrupção de pacotes e retransmissões; 2. Overhearing: "escuta ao acaso", ou seja, nós sensores processam pacotes destinados a outros nós; 3. Pacotes de controle: também requerem transmissão/recepção de dados e quase sempre não contém dados úteis; 4. Escuta ociosa (idle listening): ocorre quando o nó sensor está aguardando por pacotes, com o rádio em Rx, mas não há vizinhos transmitindo.

17 1.1 Motivação 3 Nas fontes úteis de consumo de energia, o maior consumidor de energia é a operação de transmissão. Por outro lado, nas fontes não úteis, a escuta ociosa é o maior consumidor de energia, uma vez que um nó sensor não sabe quando será o receptor de uma mensagem, e deve manter seu rádio ligado em modo de recepção freqüentemente, procurando por pacotes. Além disso, a energia gasta em escuta ociosa pode ser até mesmo maior do que a energia gasta em transmissões. De acordo com [58], devido à escuta ociosa, o rádio do nó sensor pode permancer operando em vão por 99% do tempo, o que requer uma atenção especial da política de gerenciamento de energia. Desta maneira, a melhor forma de economizar energia consiste em manter o rádio desligado sempre que possível. No entanto, uma decisão errada neste processo pode resultar diretamente na ineciência da rede em termos da qualidade de entrega de dados. Nesta situação, a melhor abordagem de gerenciamento de energia saberá exatamente o melhor momento de desligar o rádio para evitar escuta ociosa e desperdício de energia, e o melhor momento de religar o rádio, evitando atraso na transmissão de pacotes e baixa taxa de entrega de dados. Uma alternativa real, para realizar o balanceamento entre conservação de energia e qualidade na taxa de entrega de dados, pode ser obtida quando informações da camada de aplicação são utilizadas no processo de comunicação. As informações da camada de aplicação podem ser utilizadas para desligar seletivamente o rádio dos nós sensores, evitando transmissões desnecessárias devido à similaridade de dados entre vizinhos, evitando o problema de escuta ociosa e reduzindo o consumo de energia, sem a necessidade de modicação dos algoritmos de roteamento e protocolos da camada de acesso ao meio (Medium-access Control - MAC). Baseado nestes conceitos, este trabalho propõe uma nova técnica de gerenciamento dinâmico de energia (DPM) que considera as informações da camada de aplicação e as necessidades de qualidade na taxa de entrega de dados da aplicação, para seletivamente

18 1.2 Objetivos e Contribuições 4 desligar componentes de hardware do nó sensor, principalmente o rádio. O objetivo é questionar a necessidade de comunicação, aumentando ou diminuindo a taxa de entrega de dados de acordo com a necessidade, e evitar operações de desperdício de energia. 1.2 Objetivos e Contribuições O objetivo principal deste trabalho consiste no processo de construção de um gerenciamento dinâmico de energia (DPM) orientado à aplicação para nós sensores, focalizado no desligamento seletivo do rádio de comunicação, utilizando para isso informações da camada de aplicação e necessidades de qualidade de entrega de dados denidas pela aplicação. O DPM deve decidir quando e por quanto tempo um nó sensor deve dormir ou assumir um modo de operação ocioso (idle) e até mesmo quando uma operação de transmissão deve ser realizada, o que não é um problema trivial. Com o objetivo de se projetar um mecanismo mais eciente de gerenciamento de energia, deve-se considerar as restrições, necessidades e comportamento da aplicação em questão, principalmente em redes de sensores, que são fortemente dependentes de uma aplicação. A técnica de DPM proposta neste trabalho implementa diferentes modos de operação (duty cycles). Cada modo de operação dene um balanceamento especíco entre conservação de energia e taxa de entrega de dados. A decisão de qual modo de operação deve ser utilizado é realizada de acordo com as necessidades da aplicação e de acordo com as informações obtidas da camada de aplicação, representadas pelos dados sensoriados do ambiente, pelos dados recebidos dos nós vizinhos e pelo modo de operação atual dos nós vizinhos. Em outras palavras, o comportamento do ambiente e da rede no qual o nó sensor está inserido, denem o modo de operação que melhor atende à qualidade de serviço (QoS) requerida pela aplicação. Este trabalho apresenta uma nova maneira de modelar um gerenciamento dinâmi-

19 1.2 Objetivos e Contribuições 5 co de energia, utilizando-se autômatos híbridos. O hybrid automata framework [26] é utilizado devido a sua habilidade de representar o controle e os dados da aplicação, modelando o comportamento da aplicação de uma maneira formal. O autômato híbrido é capaz de representar variáveis discretas e contínuas, sendo extremamente útil para prever o comportamento de variáveis de monitoramento. Sistemas híbridos são normalmente empregados em aplicações críticas, como redes de sensores, e parecem ser uma alternativa interessante de representar uma técnica DPM que considere a minimização do consumo de energia, balanceada com a necessidade de resposta em tempo real e a necessidade de se realizar as necessidades da aplicação de maneira conável. Como redes de sensores são dependentes de uma aplicação e a técnica DPM proposta neste trabalho utiliza informações da aplicação para o gerenciamento de energia, uma aplicação real de detecção de incêndios para redes de sensores é apresentada, na qual se baseiam todas as análises de desempenho apresentadas neste trabalho. Algumas das principais contribuições deste trabalho são mostradas abaixo: 1. Construção de uma nova técnica de gerenciamento dinâmico de energia orientada à aplicação para redes de sensores sem o, sem modicação dos protocolos e algoritmos de comunicação existentes; 2. Modelagem do DPM utilizando-se autômatos híbridos; 3. Descrição de um modelo DPM ideal, em termos de consumo de energia, para ns de avaliação da técnica de DPM proposta; 4. Modelagem de um aplicação real de detecção de incêndios para redes de sensores sem o; 5. Comparação de resultados através de simulação, mostrando os benefícios em termos de economia de energia, da técnica DPM utilizada em redes de sensores singlehop e multihop;

20 1.3 Organização do documento 6 6. Análise de desempenho, em termos de balanceamento entre conservação de energia e taxa de entrega de dados, para nós sensores que utilizam a nova técnica DPM e para nós sensores que não utilizam técnicas de DPM; 7. Avaliação dos impactos provocados pelo processo de desligamento do rádio de um nó sensor sem considerar o roteamento em redes de sensores multihop. A avaliação é realizada considerando-se três algoritmos básicos de disseminação de dados (roteamento) propostos em [22]: o algoritmo de Flooding, no qual os dados são difundidos para todos os vizinhos até que cheguem ao nó sorvedouro; o Source- Initiated Dissemination (SID), que consiste em um algoritmo reativo no qual o processo de disseminação e a construção da estrutura de roteamento começa no nó sensor que representa a fonte dos dados; e o Earliest-First Tree (EF-Tree), um algoritmo que constrói e mantém uma árvore de disseminação de dados para toda a rede de sensores. 1.3 Organização do documento Este documento está organizado como descrito a seguir. No Capítulo 2, uma revisão conceitual de redes de sensores é apresentada, focalizando principalmente o modelo de consumo de energia dos nós sensores e o modelo de comunicação geralmente utilizado neste tipo de rede. No Capítulo 3, as principais técnicas de redução do consumo de energia em redes de sensores são identicadas e categorizadas. No Capítulo 4, o conceito de autômatos híbridos é abordado e o modelo formal para representação dos autômatos é apresentado. No Capítulo 5, a nova técnica de gerenciamento dinâmico de energia orientado à aplicação é apresentada em detalhes. O Capítulo 6 aborda a modelagem de uma aplicação real de detecção de incêndio utilizando redes de sensores sem o. Desta maneira, um estudo de caso é realizado, no qual a abordagem DPM proposta utiliza as

21 1.3 Organização do documento 7 informações da aplicação para o controle da operação e o gerenciamento de energia dos nós sensores. No Capítulo 7, os resultados da análise de desempenho da nova técnica DPM são avaliados. Finalmente, no Capítulo 8, as conclusões e trabalhos futuros são apresentados.

22 Capítulo 2 Redes de Sensores 2.1 Visão Geral Redes de sensores sem o representam um novo paradigma para coleta de informações e monitoramento de ambientes [57]. Avanços recentes em micro-eletrônica, eletrônica digital e comunicação sem o têm permitido o desenvolvimento de nós sensores multifuncionais de baixo custo e baixo consumo de energia, geralmente pequenos em tamanho e com capacidade de comunicação em pequenas distâncias [3], tornando economicamente e tecnologicamente viável uma série de aplicações nas mais diversas áreas da ciência. O princípio fundamental de redes de sensores consiste na utilização de um grande número de nós sensores, capazes de realizar sensoriamento, processamento de dados e comunicação sem o, para realizar um esforço colaborativo de coleta de informações em prol de uma única aplicação. Desta maneira, o objetivo principal de uma rede de sensores é realizar sensoriamento distribuído para aplicações como monitoramento de ambientes. A vantagem principal consiste na capacidade de implantação e adaptação a qualquer tipo de ambiente, o que pode ser praticamente impossível com redes tradicionais [41]. Isto se deve à característica ad hoc de redes de sensores, que não exige

23 2.1 Visão Geral 9 uma infra-estrutura pré-estabelecida para o funcionamento da rede, e a capacidade de processamento distribuído e comunicação sem o dos nós sensores. A Figura 2.1 ilustra o funcionamento básico de uma rede de sensores sem o. Uma rede de sensores é composta por uma grande quantidade de nós sensores, os quais são densamente implantados dentro de um fenômeno, ou muito próximo a ele. A área de monitoramento é denida de acordo com a capacidade (raio) de sensoriamento e a quantidade de nós sensores. A estação base realiza a comunicação entre a rede de sensores e o usuário nal, que pode ser representado por uma simples estação de trabalho ou até mesmo a Internet. O nó sorvedouro (sink) representa o nó principal ou observador, responsável pela coleta de informações da rede de sensores, podendo ser a própria estação base. Nós sensores são normalmente capazes de se comunicar a curta distância, o que geralmente impede a comunicação direta com o nó sorvedouro (singlehop). Desta maneira, estes nós necessitam que seus dados sejam roteados para o nó sorvedouro, fazendo com que os nós sensores intermediários trabalhem como roteadores de mensagens, em uma comunicação multihop. Assim como em uma rede ad hoc tradicional, em redes de sensores não há nós roteadores xos, fazendo com que todos os nós se conectem de maneira dinâmica ou totalmente arbitrária, descobrindo e mantendo rotas para outros nós. Quando um nó sensor realiza o sensoriamento de um determinado fenômeno, este utiliza a estrutura de roteamento criada ou inicia a criação de um rota sob demanda, para que os dados obtidos possam ser disseminados para o nó sorvedouro. O nó sorvedouro pode, eventualmente, realizar consultas na rede de sensores e receber dados dos sensores como resposta. Assim, redes de sensores necessitam ser capazes de se auto-organizar para atender as necessidades dos nós de forma colaborativa. Redes de sensores sem o são redes ad hoc capazes de realizar sensoriamento distribuído, processamento distribuído e comunicação sem o. No entanto, possuem uma

24 2.2 Características e Desaos 10 Banco de Dados Estação Base Internet Área de Monitoramento Nó Sensor Computador Figura 2.1: Funcionamento básico de uma rede de sensores sem o série de limitações e características particulares. Na seção seguinte, as limitações e características particulares de redes de sensores são abordadas, bem como os desaos cientícos desta recente área de pesquisa. 2.2 Características e Desaos Redes de sensores sem o possuem características e desaos particulares que as diferenciam de redes ad hoc e sem o tradicionais. Enquanto as redes tradicionais almejam alcançar alta qualidade de serviço (QoS), redes de sensores se concentram primariamente em conservação de energia [3]. A limitação de energia é a principal restrição de redes de sensores. Nós sensores funcionam tipicamente com baterias e o processo de recarga destas baterias é economicamente inviável, devido à grande quantidade de nós sensores, e sicamente inviável, devido à inospitabilidade dos ambientes de monitoramento (vulcões, orestas, entre outros). Conseqüentemente, o tempo de vida da rede de sensores é denido pela utilização de energia nos nós sensores, o que exige uso eciente de energia em todos os aspectos que os compõem. Desta maneira, nós sensores devem possuir mecanismos de balanceamento capazes de prolongar o tempo de vida da rede, ao custo

25 2.2 Características e Desaos 11 de uma redução da vazão de dados ou um maior atraso na transmissão [3]. O desao da limitação de energia dos nós sensores tem impulsionado uma série de trabalhos nesta área. Em tempo de projeto, muitos trabalhos têm sido realizados para tornar ecientes circuitos, arquitetura, protocolos de comunicação, algoritmos de roteamento e sensoriamento [42][51][7][31][28]. Em tempo de execução, técnicas de gerenciamento dinâmico de energia (Dynamic Power Management - DPM) têm sido utilizadas para desligar seletivamente componentes de hardware, evitando desperdícios de energia [18][11]. Estas técnicas exploram modos de operação (idle e sleep), nos quais o consumo de energia é menor, seguindo a losoa de realizar o trabalho a ser feito o mais rápido possível e dormir, reduzindo o consumo de energia nos nós sensores e aumentando o tempo de vida da rede de sensores. Adicionalmente, como pode ser observado na Tabela 2.1, o processo de comunicação é o maior consumidor de energia e deve ser cuidadosamente realizado. De fato, devido à limitação de energia, a comunicação eciente é um dos principais desaos em redes de sensores, e principal objetivo deste trabalho. Componentes Ativo (ma) Idle (ma) Inativo (µa) MCU core MCU pins 1.5 Co-proc EEPROM 3 1 Radio 12tx, 4.5rx 5 Sensor de Temperatura Tabela 2.1: Corrente para cada componente de hardware do nó sensor WeC motes [30] Redes de sensores sem o compartilham alguns desaos de redes sem o tradicionais, como largura de banda limitada, canais de comunicação propensos a erros e topologia de rede dinâmica. Além da limitação de energia, nós sensores também possuem outras limitações de recursos importantes, como pouca capacidade de armazenamento de dados (memória) e baixa capacidade de processamento (processador limitado). De acordo com [3], as principais características de redes de sensores que as diferem de redes ad

26 2.2 Características e Desaos 12 hoc tradicionais estão relacionadas abaixo: 1. O número de nós sensores em uma rede de sensores pode ser muitas ordens de magnitude maior do que nós em uma rede ad hoc tradicional; 2. Redes de sensores constituem uma rede bastante densa em número de nós; 3. Nós sensores são propensos a falhas, o que requer alta redundância de nós. De certa forma a alta densidade destas redes garante um certo grau de redundância; 4. A topologia da rede de sensores se modica freqüentemente. Apesar dos nós sensores serem quase sempre estáticos após sua implantação no ambiente de monitoramento, estes dormem (sleep mode) freqüentemente para economizar energia. Além disso, nós sensores podem se tornar inoperantes por falta de energia e devido à eventos destrutivos [53]; 5. Nós sensores utilizam principalmente o paradigma de comunicação baseada em difusão (broadcast), enquanto que a maioria das redes ad hoc são baseadas em comunicação ponto a ponto. Mais especicamente, a função da rede é reportar informações relativas ao fenômeno para o nó observador, o qual não necessariamente conhece a infra-estrutura da rede e sensores individuais como ponto de comunicação m a m [57]; 6. Nós sensores podem não ter um identicador global devido à grande quantidade de overhead e à grande quantidade de nós sensores; 7. Redes de sensores são direcionadas à aplicação, uma vez que são projetadas especialmente para uma ou mais tarefas de sensoriamento [41]; De acordo com [41], um dos maiores desaos em redes de sensores consiste no projeto de nós sensores sem o. Segundo [47], os seguintes desaos técnicos e operacionais devem ser considerados no projeto de um nó sensor e na criação de um rede de sensores:

27 2.3 Arquitetura Redução da limitação de energia e comunicação, o que requer uso eciente de energia em todos os aspectos, principalmente no processo de comunicação; 2. Funcionamento ad hoc, o que requer que o sistema identique e coopere com a distribuição resultante para conectividade dos nós; 3. Condições dinâmicas do ambiente, o que requer adaptação do sistema às mudanças de conectividade e falhas dos nós; 4. Falta de infra-estrutura pré-estabelecida, o que requer conguração e reconguração automática; 5. Tolerância à falhas, devido às diculdades de troca de nós; 6. Escalabilidade, devido à grande quantidade de nós em uma rede de sensores; 2.3 Arquitetura Arquitetura da rede de sensores Redes de sensores possuem uma série de características que inuenciam diretamente no desempenho da rede tais como, topologia, raio de transmissão, tempo de vida de bateria, densidade dos sensores, modelos de entrega de dados, observadores, entre outras. Em [15], uma taxonomia dos mais diversos tipos de redes de sensores é apresentada. No entanto, segundo [56], a organização básica de uma rede de sensores pode ser vista da seguinte maneira: 1. Infra-estrutura: a infra-estrutura de uma rede de sensores é formada pelos nós sensores e o estado de implantação atual destes nós. Mais especicamente, a infra-estrutura é inuenciada pelas características dos nós sensores (exatidão no

28 2.3 Arquitetura 14 sensoriamento, tamanho da memória, tempo de vida de bateria, raio de transmissão) e pela estratégia de implantação (densidade, localização e mobilidade dos nós sensores). 2. Protocolo de rede: o protocolo de rede é responsável pela criação de caminhos e pela realização da comunicação entre os nós sensores, e entre os nós sensores e o(s) obervador(es). O desempenho do protocolo de rede será altamente inuenciado pelo dinamismo da rede e pelo modelo de entrega de dados empregado. 3. Aplicação/Observador: o observador ou aplicação é o usuário nal interessado em obter a informação disseminada pela rede de sensores a respeito de um fenômeno. O observador manifesta seu interesse em um determinado fenômeno através de consultas e os dados requeridos são entregues ao nó observador pelos nós sensores, que possuem os dados, ou fazem parte do caminho de entrega dos dados. As consultas podem ser estáticas (nós sensores reportam dados de acordo com um padrão de tempo especíco) ou dinâmicas (sob demanda ou outra regra qualquer). O observador é também conhecido como nó de monitoramento, nó sink e usuário nal. Em termos de infra-estrutura de rede, a estratégia de implantação pode determinar se a rede será estruturada de uma maneira randômica ou planejada. Na estratégia de implantação planejada, a localização de cada nó sensor é conhecida previamente, o que não ocorre na estutura randômica. A dinamicidade da topologia é também um fator importante na infra-estrutura de redes de sensores, pois dene a maneira como os nós sensores podem se comunicar uns com os outros. Neste caso, a maioria dos protocolos de rede devem ser adaptativos às constantes mudanças de topologia da rede, para garantir a realização do processo de comunicação.

29 2.3 Arquitetura 15 Segundo [57], as redes de sensores podem também ser classicadas pelo tipo de entrega de dados requerido pelo nó observador: entrega de dados contínua, direcionada a eventos, iniciada pelo observador e híbrida. Além disso, nós observadores podem ser dinâmicos ou estáticos, o que pode inuenciar diretamente na qualidade de entrega de dados, no caso de nós observadores que se movem pela rede. A arquitetura da rede precisa ser cuidadosamente especicada, de acordo com as características especícas de infra-estrutura, protocolo de rede e nós de monitoramento, para se obter o desempenho necessário e o cumprimento das necessidades da aplicação. A taxonomia de redes de sensores [15][48][56] é extremamente importante para caracterização e escolha da melhor conguração da redes de sensores para uma determinada aplicação Arquitetura do nó sensor Em redes de sensores, a arquitetura de um nó é completamente depende do propósito da rede, ou seja, dependente da aplicação de sensoriamento [47]. No entanto, de acordo com [47][40][46] a arquitetura básica de um nó sensor pode ser representada pela Figura 2.2. Um nó sensor é composto basicamente por um processador, um rádio de comunicação, memória, um sensor, sistema operacional, protocolos e o software da aplicação. Adicionalmente, um conversor DC-DC é utilizado para converter a tensão de saída da bateria para a tensão apropriada para funcionamento do nó sensor. Segundo [46], a arquitetura de um nó sensor pode ser dividida em quatro subsistemas: 1. Processamento: o subsistema de processamento consiste de um microprocessador ou um microcontrolador; 2. Comunicação: o subsistema de comunicação é constituído por um rádio de curto alcance para comunicação sem o;

30 2.3 Arquitetura 16 BATERIA SOFTWARE SISTEMA OPERACIONAL DC-DC ALGORITMOS E PROTOCOLOS MEMÓRIA SENSOR CONVERSOR AC/DC PROCESSADOR RÁDIO Figura 2.2: Arquitetura de um nó sensor 3. Sensoriamento: o subsistema de sensoriamento é responsável por conectar o nó sensor com o mundo externo. Este subsistema é constituído por um conjunto de dispositivos sensores; 4. Energia: o subsistema de energia é constituído por uma bateria e por um conversor DC-DC, e possui a tarefa de fornecer a alimentação necessária para o funcionamento de todo o nó sensor; A unidade de processamento (Microcontroller unit - MCU) é responsável por prover inteligência ao nó sensor, realizando o controle dos sensores, a execução dos protocolos de comunicação e a execução de algoritmos de processamento de sinal nos dados obtidos pelo sensor [46]. A escolha da MCU para um nó sensor é geralmente realizada considerando-se os níveis de desempenho necessários. No entanto, esta escolha pode acarretar em um impacto signicativo nas características de dissipação de energia nos nós sensores. As MCUs geralmente suportam vários modos de operação, incluindo os modos Ativo (Active), Ocioso (Idle) e Dormência (Sleep). O rádio do nó sensor possibilita comunicação sem o com nós vizinhos e o mundo

31 2.3 Arquitetura 17 externo [46]. Muitos fatores afetam as características do consumo de energia de um rádio, incluindo o tipo de modulação utilizado, taxa de dados, potência de transmissão e o ciclo de trabalho (duty cycle) operacional. Em geral, os rádios podem operar em quatro modos de operação distintos: Transmissão (Transmit), Recepção (Receive), Ocioso (Idle) e Dormência (Sleep). Na maioria dos rádios, o modo de operação Ocioso (Idle) possui alto consumo de energia, semelhante a energia consumida em modo de operação Recepção (Receive) [65]. Os sensores presentes em um nó sensor traduzem os fenômenos físicos de um ambiente para sinais elétricos e podem ser classicados como dispositivos analógicos ou digitais, dependendo do tipo de saída produzido [46]. Existe uma grande diversidade de sensores capazes de mensurar parâmetros ambientais tais como temperatura, intensidade de luz, som, campos magnéticos, imagem, entre outros. Um sensor apresenta diversas fontes de consumo de energia: amostragem de sinal e conversão de sinais físicos, condicionamento de sinal e conversão analógico-digital. A bateria fornece energia para todo o nó sensor e inuencia diretamente no tempo de vida do nó [46]. Baterias são dispositivos complexos os quais dependem de muitos fatores incluindo dimensão da bateria, tipo de material elétrico utilizado e taxa de difusão do materiais ativos no eletrodo. A caracterização de cada componente e variável que compõem a arquitetura de um nó sensor é extremamente importante para a identicação dos possíveis pontos de desperdício ou consumo ineciente de energia, na tentativa de prolongar o tempo de vida do nó sensor, e, conseqüentemente, prolongar o tempo de vida da rede de sensores como um todo. Neste sentido, muitos esforços para otimização do consumo de energia em nós sensores têm sido realizados em todos os aspectos da arquitetura de um nó sensor, desde otimização de circuitos integrados e ciclos de operação em transmissão de rádio, até qualidade de resposta e necessidades de latência do usuário nal.

32 2.4 Comunicação Comunicação A comunicação é uma importante característica de redes de sensores sem o. A denição do processo de comunicação em redes de sensores sem o é extremamente importante para dois aspectos principais: (i) redes de sensores são totalmente dependentes da aplicação em questão. Neste caso, o estudo dos padrões de comunicação permite escolher a infra-estrutura e protocolos de comunicação que forneçam a melhor combinação de desempenho, robustez, eciência e custo de implantação [56]; (ii) o maior gasto de energia em nós sensores deve-se ao processo de comunicação de dados [3]. Conseqüentemente, a identicação das principais fontes de consumo de energia é crucial para otimização do processo de comunicação, aumentando o tempo de vida do nó sensor. De acordo com [56], a comunicação em uma rede de sensores pode ser classicada em duas categorias: aplicação e infra-estrutura. A comunicação para aplicação está relacionada com a transferência de dados sensoriados do ambiente, ou informações obtidas de outros nós, com o objetivo de informar o observador a respeito de um fenômeno. Neste caso, a comunicação pode ser cooperativa ou não cooperativa. No modelo cooperativo, os nós sensores se comunicam uns com os outros para realizar os interesses do observador. Além da tarefa de roteamento dos dados, podem haver outros tipos de cooperação entre nós, como processamento e fusão de dados [36]. Por outro lado, no modelo não cooperativo, nós sensores não cooperam uns com os outros para disseminação da informação. Um exemplo clássico consiste em uma rede singlehop, na qual os nós sensores transmitem diretamente para os nós de monitoramento. A comunicação para infra-estrutura está relacionada com a comunicação necessária para conguração, manutenção e otimização da operação básica do processo de comunicação [56]. Este tipo de comunicação é necessária devido à natureza ad hoc de redes de sensores, na qual as constantes mudanças de topologia (devido à mobilidade ou falha

33 2.4 Comunicação 19 de nós) exigem que os nós sensores sejam capazes de descobrir novos caminhos para roteamento e transmissão de dados de interesse de outros sensores ou dos observadores. Conseqüentemente, a comunicação para infra-estrutura é necessária para manter a rede de sensores funcional, garantir operação robusta em ambientes dinâmicos, e de acordo com os interesses da aplicação, se recongurar para satisfazer estes interesses da melhor maneira possível, considerando as restrições de recursos dos nós sensores, principalmente a limitação de energia. Redes de sensores necessitam das duas categorias de comunicação, ou seja, comunicação para aplicação e infra-estrutura. O protocolo de rede escolhido deve ser capaz de suportar os dois tipos de comunicação. Além disso, o protocolo escolhido inuenciará altamente na quantidade de comunicação requerida em ambas as categorias. Um protocolo de rede eciente é aquele capaz de cumprir as demandas de aplicação utilizando o mínimo de comunicação possível, otimizando a operação da rede como um todo, e economizando recursos importantes como energia Arquitetura de comunicação Em redes de sensores, existem dois tipos básicos de comunicação entre os nós sensores e os nós de monitoramento (sink nodes): (i) comunicação singlehop e (ii) comunicação multihop. Na comunicação singlehop os nós sensores transmitem diretamente para os nós observadores, sem a necessidade de roteamento de dados. Este tipo de comunicação pode ser uma alternativa para redes menores, na qual os nós sensores possuam uma capacidade (raio) de comunicação suciente para transmitir para os nós observadores. No entanto, maiores distâncias entre o nó observador e o nó sensor exigem uma maior potência de transmissão, o que conseqëntemente aumenta o consumo de energia. Além disso, este tipo de comunicação, apesar de mais simples, não permite a utilização de técnicas para evitar redundâncias de dados, tornando mais difícil a auto-organização

34 2.4 Comunicação 20 da rede e limitando a capacidade de adaptação ao ambiente das redes de sensores. Por outro lado, a comunicação multihop consiste na utilização e cooperação de vários nós sensores, para transmitir dados para os nós observadores. Assim, os dados são transmitidos para um ou mais nós intermediários, até que a informação chegue aos nós observadores. Esta forma de comunicação é amplamente utilizada em redes de sensores, geralmente muito amplas e compostas por muitos nós, na qual a maioria dos nós não possui capacidade de comunicação direta com os nós observadores. No entanto, a comunicação multihop exige roteamento de informações, o que não é uma questão trivial em redes de topologia dinâmica, como redes de sensores. Outra forma de operação em redes de sensores é a formação de agrupamentos distribuídos (distributed clustering) de nós sensores [68][5]. A operação essencial no agrupamento de nós sensores é a seleção de um conjunto de nós cabeça (cluster head) entre os nós de um rede, e o agrupamento dos restos dos nós da rede com os nós cabeça. Os nós cabeça são responsáveis pela coordenação entre os nós com seus agrupamentos (coordenação entre agrupamentos), e pela comunicação entre os nós e/ou com observadores externos de acordo com o interesse dos agrupamentos (clusters) [68]. No processo de comunicação dos agrupamentos de nós, os dois tipos básicos de comunicação podem ser utilizados. Em [68], as vantagens e desvantagens de se utilizar técnicas de agrupamento com comunicação singlehop e multihop são relacionadas. Apesar das diversas formas e modelos de comunicação, a arquitetura de comunicação, em termos de organização dos protocolos de rede, pode ser generalizada em um modelo único [3], como mostrado na Figura 2.3. A pilha de protocolos de comunicação combina conhecimento de consumo de energia e roteamento, integra dados com protocolos de rede, comunica de maneira eciente em termos de energia e promove esforços cooperativos dos nós sensores. A camada física é responsável pela seleção de freqüência, geração de ondas eletro-

35 2.4 Comunicação 21 Camada de aplicação Camada de transporte Camada de rede Camada de enlace de dados Camada física Plano de gerenciamento de energia Plano de gerenciamento de mobilidade Plano de gerenciamento de tarefas Figura 2.3: Pilha de protocolos de rede de um nó sensor [3] magnéticas de freqüência, detecção de sinais, modulação e codicação de dados. Os principais tópicos de pesquisa nesta área envolvem esquemas de modulação, estratégias para superar efeitos de propagação de sinais, uso eciente de energia e projeto de hardware. A escolha de um bom esquema de modulação é crucial para comunicação conável em uma rede de sensores. Por outro lado, comunicação sem o por longas distâncias possui um alto custo, em termos de energia e complexidade de implementação. Desta maneira, o projeto da camada física de redes de sensores se concentra na minimização do consumo de energia, acima dos efeitos de deterioração, dispersão, sombreamento, reexão, difração e desvanecimento enfretados por esta camada. Segundo [3], a camada física é uma área ainda pouco explorada em redes de sensores. Tópicos de pesquisa nesta área abrangem desde o projeto de rádios transmissores ecientes em energia, até esquemas de modulação. A camada de enlace de dados é responsável pela multiplexação de uxo de dados, detecção de quadros de dados, acesso ao meio e controle de erros. Segundo [3], ela garante conexões ponto-a-ponto e multiponto conáveis em uma rede de comunicação. A principal característica desta camada consiste nos protocolos de controle de acesso ao meio (Medium access control - MAC). Os protocolos MAC em redes sem o auto-

36 2.4 Comunicação 22 organizáveis devem ser capazes de realizar a criação de uma infra-estrutura de rede, uma vez que milhares de nós sensores se encontram dispersos em um campo de sensoriamento e necessitam estabelecer conexões para comunicação e transferência de dados. Os protocolos MAC são responsáveis por garantir a habilidade de auto-organização de redes de sensores. Além disso, são também responsáveis pela divisão de recursos de comunicação entre os nós sensores, de maneira justa e eciente. As limitações e características de redes de sensores certamente afetam o projeto de protocolos MAC [15]. O tráco de dados tende a ser variável e altamente correlacionado. Durante grandes intervalos de tempo, pode haver pouca atividade ou tráco na rede, mas por outro lado, em curtos períodos de tempo o tráco pode se tornar muito intenso devido à detecção de um evento (fenômeno) não esperado ou anormal. De acordo com [47], as soluções existentes de métodos de acesso ao meio em redes ad hoc podem ser divididas em duas categorias: baseados em conteção e baseados em organização. Métodos baseados em contenção não são apropriados para redes de sensores devido ao processo de sensoriamento contínuo do canal de acesso e desperdício de recursos sempre que uma colisão ocorre. Os métodos baseados em organização do canal de acesso tentam determinar a conectividade entre nós primeiramente, e posteriormente lidam com a questão de atribuição de partes do canal de acesso de um maneira hierárquica, através da formação de clusters. As recentes pesquisas relacionadas à camada de enlace de dados incluem o desenvolvimento de protocolos MAC para redes de sensores móveis, a determinação de limites inferiores de energia requerida para auto-organização de redes de sensores, esquemas de codicação para controle de erros e modos de operação para enconomia de energia [3]. A camada de rede é responsável pelo roteamento de dados entre os nós sensores e o nó de monitoramento, no caso de redes de sensores multihop e sem o. Desta maneira, o principal objetivo da camada de rede é formar e manter um caminho, ou vários

37 2.4 Comunicação 23 caminhos, entre o fenômeno e os observadores, considerando as condições dinâmicas presentes em redes de sensores. As necessidades de baixo consumo de energia, alta precisão nos dados e tolerância às falhas, e as condições dinâmicas de redes de sensores, como mudanças constantes de topologia de rede e maior escabilidade devido à grande quantidade de nós, dicultam a utilização das técnicas de roteamento ad hoc existentes na literatura [13]. Redes de sensores demandam por novos protocolos e algoritmos para roteamento que considerem as características e limitações de recursos especícas deste tipo de rede. As técnicas de roteamento devem considerar as necessidades de eciência no consumo de energia, a característica de centralização de dados, agregação de dados (quando não impede o esforço colaborativo dos nós sensores), endereçamento baseado em atributos e conhecimento de localização dos nós [3]. Em redes de sensores, os nós geralmente não são endereçados individualmente [56]. Ao invés disso, o interesse se concentra no conjunto de sensores que estão posicionados a ponto de contribuir para o interesse ativo dos observadores. Neste caso, os nós sensores podem ser endereçados pelos atributos do sensor (ex.: as capacidades do sensor) ou pelo fenômeno (ex.: sensores próximos do local de ocorrência do fenômeno). Segundo [56], redes de sensores podem ser classicadas como redes estáticas ou dinâmicas. Nas redes dinâmicas considera-se a possível mobilidade de nós sensores, nós observadores e fenômenos. Neste caso a construção e manutenção dos caminhos para roteamento de dados depende do tipo de rede em questão. Na Seção 2.4.2, alguns algoritmos e protocolos de roteamento são abordados. A camada de transporte em redes de sensores é necessária quando a rede precisa ser acessada via Internet ou outras redes externas. Neste sentido, abordagens como TCP [1] podem ser necessárias para promover interação entre as redes de sensores e outras redes. Conexões TCP poderiam ser realizadas com os nós de monitoramento,