Wireless Sensor Networks: a survey & A Survey on Sensor Networks

Transcrição

1 Wireless Sensor Networks: a survey & A Survey on Sensor Networks I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci Gustavo Zanatta Bruno zanatta@ic.uff.br Paulo Rogério S. S. Filho progerio@ic.uff.br Disciplina: Computação Móvel

2 Tópicos Introdução Aplicações Fatores que influenciam o design da rede Arquitetura da comunicação Conclusão

3 Introdução Sensores podem ser implantados de duas maneiras: posicionados longe do fenômeno real "aleatoriamente" disposição e topologia são cuidadosamente projetados Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) são densamente implantadas: no interior de um fenômeno próximo a um fenômeno

4 Introdução Principais diferenças com as redes ad hoc: Número de nós da rede é bem maior Nós são densamente implantados Nós são propensos a falhas Topologia pode mudar frequentemente Usam paradigma de comunicação broadcast Restrições de hardware Nós sensores podem não ter identificação

5 Aplicações São capazes de monitorar uma grande variedade de condições ambientais e físicas: temperatura umidade movimento de veículos condição relâmpago pressão concentração de poluentes

6 Aplicações Composição do solo Níveis de ruído Presença ou ausência de certos tipos de objetos Níveis de estresse mecânicos em objetos Características como velocidade, direção e tamanho de um objeto.

7 Aplicações: Militares Exemplos de aplicações militares: Monitorar as forças aliadas, equipamentos e munições Vigilância de terrenos críticos Direcionamento Avaliação de danos de batalha Reconhecimento e detecção de ataques químicos e biológicos e nucleares

8 Aplicações: Militares

9 Aplicações: Ambientais Exemplos: Monitoramento da Terra Exploração planetária Detecção de incêndios florestais Mapeamento da biocomplexidade do ambiente Detecção de inundação Agricultura de precisão

10 Aplicações: Ambientais

11 Aplicações: Ambientais

12 Aplicações: Ambientais

13 Aplicações: Ambientais

14 Aplicações: Saúde Telemonitorização de dados fisiológicos humanos Rastreamento e monitoramento de médicos e pacientes Administração de medicamentos

15 Aplicações: Saúde

16 Aplicações: Domésticas Exemplos: Automação doméstica Ambiente inteligente

17 Aplicações: Domésticas

18 Aplicações: Comerciais Exemplos: Controle ambiental em edifícios de escritórios Museus interativos Detectar e monitorar roubos de automóveis Gerenciando o controle de estoque Monitoramento e detecção de veículos

19 Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Tolerância a falhas A tolerância a falhas é a capacidade de sustentar as funcionalidades da rede de sensores sem qualquer interrupção devido às falhas A falha dos nós sensores não deve afetar o funcionamento de uma RSSF como um todo

20 Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Escalabilidade O número de nós de sensores implantados é da ordem das centenas ou milhares A densidade pode variar de poucos nós sensores para centenas de nós sensores em uma região

21 Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Custos US$ Custo ser inferior a US$ 1 para a rede de sensores para ser viável

22 Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Hardware

23 Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Hardware Requisitos de hardware: ter um consumo de energia extremamente baixo, operar em altas densidades, ter baixo custo de produção e ser descartável, ser autônomo e operar sem supervisão, ser adaptável ao ambiente.

24 Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Hardware

25 Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Topologia Eles podem ser implantados de diversas formas: jogados de um avião, em um foguete de artilharia shell, ou míssil, arremesso por uma catapulta (a partir de um bordo do navio, etc), colocados em uma fábrica, e colocando um por um, por um ser humano ou um robô

26 Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Topologia Após a instalação, ocorrem mudanças na topologia devido: mudança de posição, acessibilidade (devido aos congestionamentos, ruídos, obstáculos móveis, etc), energia disponível, mal funcionamento, e individualidades da tarefa.

27 Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Ambiente Os sensores podem estar nos mais diversos ambientes, como: em cruzamentos movimentados, no interior de uma máquina de grande porte, na parte funda de um oceano, dentro de um tornado, sobre a superfície de um oceano durante um tornado, em um campo biologicamente ou quimicamente contaminado,

28 Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Ambiente em um campo de batalha para além das linhas inimigas, em uma casa ou um grande edifício, em um grande armazém, ligado a animais, ligado ao rápido veículos em movimento, e em um rio em drenagem ou movendo-se.

29 Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Meio de transmissão Para permitir o funcionamento global das redes, o meio de transmissão escolhido deve estar disponível em todo o mundo. Radio ISM Infravermelho Óptica Sonoro

30 Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Meio de transmissão

31 Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Consumo energético Consumo de energia pode ser dividido em três domínios: sensoriamento, comunicação e processamento de dados. Um nó sensor gasta mais energia em comunicação de dados. O consumo energético para transmissão de 1 KB a uma distância de 100 m é aproximadamente a mesma para a execução de 3 a 100 milhões de instruções por segundo.

32 Arquitetura de comunicação: Pilha de Protocolos Combina consciência de energia e roteamento, Integra os dados com os protocolos de rede, A comunicação é realizada de forma eficiente pelo meio sem fio, Promove o esforço cooperativo entre os nós sensores.

33 Arquitetura de comunicação: Pilha de Protocolos

34 Arquitetura de comunicação: Camada Física Responsável por: Seleção de frequência Geração de frequência Detecção de sinal Modulação Criptografia dos dados

35 Arquitetura de comunicação: Camada Física Comunicação sem fio por longas distâncias é cara em termos energéticos e de complexidade de implementação Redução do consumo de energia é um fator crítico! Esquemas de modulação: Binário: mais eficiente M-nário: outros: UWB, IR, PPM... Projeto de hardware

36 Arquitetura de comunicação: Camada Física Questões em aberto: Esquemas de modulação mais precisos Estratégias para superação dos efeitos da propagação do sinal Projeto de hardwares mais eficientes e econômicos

37 Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace Responsável por: Multiplexação dos fluxos de dados Detecção dos quadros de dados Controle de acesso ao meio sem fio Controle de erro

38 Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace Os protocolos MAC devem: Criar a infraestrutura de comunicação salto-a-salto da rede de sensores sem fio Realizar o compartilhamento justo e eficiente dos recursos de comunicação entre os nós sensores Priorizar a economia de energia é também uma questão chave nessa camada

39 Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace Controle de Acesso ao Meio Os protocolos MAC existentes não levam em consideração as restrições energéticas das RSSF Os rádios dos nós sensores são menos potentes e alcançam menores distâncias Além disso, a falta de infraestrutura centralizada de uma RSSF adiciona complexidade ao projeto de algoritmo eficientes

40 Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace Protocolos MAC para RSSF Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks (SMACS) Permite que os nós descubram seus vizinhos e estabeleçam escalas de transmissão e recepção para se comunicarem sem precisar de líderes. Para que não haja colisões, ao estabelecer canais de comunicação com os nós vizinhos, cada nó assume uma frequência distinta. Estabelecido o canal, a comunicacao e intermitente, embora o rádio transmissor fique desativado quando não há informacoes a transmitir.

41 Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace Protocolos MAC para RSSF Eavesdrop-and-Register (EAR): Objetiva oferecer serviço contínuo aos nós móveis sob condições estáticas ou não. Os nós controlam a conexão e decidem quando encerrá-la, reduzindo a sobrecarga de mensagens na rede.

42 Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace Protocolos MAC para RSSF CSMA-Based MAC: O CSMA tradicional supõe tráfego contínuo, enquanto os protocolos baseados em CSMA para RSSF devem suportar tráfego eventual. Dois componentes essenciais: mecanismo de escuta do meio e backoff. Controle de taxa de transmissão adaptativo (ARC) também é importante.

43 Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace Protocolos MAC para RSSF Hybrid TDMA/FDMA-Based: Objetivo é encontrar o número ótimo de canais que minimize o consumo de energia. Depende da razão entre o consumo do transmissor e do receptor. Se o transmissor consume muita energia, usa-se o TDMA Se o receptor consume muita energia, então usa-se o FDMA.

44 Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace Modo de Acesso ao Canal Características Especiais Conservação energética Alocação fixa de espaços de tempo duplos numa frequência fixa. Aproveita o fato da largura de banda disponível ser muito maior que a largura de banda dos dados sensoriais. Tempo de wake up aleatório além de desligar o rádio quando inativo. Hybrid TDMA/FDMA Frequência centralizada e divisão no tempo. Número de canais ótimo calculado para um sistema de energia mínima. Abordagem baseada no hardware para economia de energia. CSMA-Based MAC Acesso aleatório por disputa. Protocolo MAC SMACS e EAR Usa métodos Tempo de escuta adaptativos para controle constante para eficiência de taxa de transmissão. energética.

45 Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace Modos de Operação de Economia de Energia Desligar o rádio sempre que inativo pode consumir mais energia do que deixá-lo ligado diretamente Só é eficiente se for maior que um certo threshold Mecanismos para Controle de Erros Correção de erro (FEC) Solicitação de repetição automática (ARQ)

46 Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace Questões em aberto: Protocolos MAC para RSSF móveis Determinar o limite mínimo de restrições energéticas para o auto-gerenciamento da rede Controle de erro de codificação Modos de operação de economia de energia

47 Arquitetura de comunicação: Camada de Rede Princípios para projeto da camada de redes em RSSF: Eficiência energética Foco nos dados Agregação de dados é útil apenas quando não atrapalha o esforço de colaboração dos nós sensores Uma RSSF ideal tem endereçamento baseado em atributos e ciência do local

48 Arquitetura de comunicação: Camada de Rede Roteamento baseado na eficiência energetica (PA,α): Maximizar PA da rota Minimizar α da rota Minimizar o número de saltos até o sink Minimizar o PA da rota Roteamento baseado nos dados: Disseminação de interesses Agregação/Fusão, Redução e Adaptação de dados

49 Arquitetura de comunicação: Camada de Rede Protocolos de Roteamento para RSSF Minimum Energy Communication Network (MECN): Calcula a eficiência energética da rede Small Minimum Energy Communication Network (SMECN): Calcula a eficiência energética de uma subrede interna à rede do MECN

50 Arquitetura de comunicação: Camada de Rede Protocolos de Roteamento para RSSF Inundação (Flooding): Nó recebe pacote e replica em broadcast para seus vizinhos Condição de parada: se o número máximo de saltos do pacote foi alcançado ou se o destinatário é o próprio nó Deficiências: implosão, sobreposição (dois nós com mesma região de observação) e não-ciência de recursos energéticos Bisbilhotar (Gossiping): Seleciona vizinhos aleatoriamente para receber dados

51 Arquitetura de comunicação: Camada de Rede Protocolos de Roteamento para RSSF Sensor Protocols for Information Via Negotiation (SPIN): Antes de enviar os dados completos, o nó fonte envia uma mensagem broadcast com o descritor dos dados (ADV) para os vizinhos Se o vizinho tiver interesse nesse descritor, então ele envia uma requisição (REQ) O nó fonte envia os dados completos somente para os vizinhos que retornaram uma requisição

52 Arquitetura de comunicação: Camada de Rede Protocolos de Roteamento para RSSF Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH): Reduz o consumo de energia dos nós através do revezamento da eleição de líderes Nós formam clusters e reportam seus dados somentes ao respectivos líderes de seus grupos no tempo determinado (TDMA) Os líderes são responsáveis por rotear os dados até o nó sink Ocorre uma nova configuração da rede de tempos em tempos, e novos líderes são eleitos

53 Arquitetura de comunicação: Camada de Rede Protocolos de Roteamento para RSSF Directed Diffusion: O nó sink envia uma mensagem de interesse para a rede com um descritor (valor-atributo) Cada sensor armazena o interesse em cache O interesse é propagado e gradientes da fonte da informação ao sink são criados O dado é então encaminhado ao sink através da melhor rota (critérios definidos pela aplicação)

54 Arquitetura de comunicação: Camada de Transporte Essa camada não funciona bem em RSSF, apenas em casos de conexão externa com a Internet Limitações de hardware Nós sensores não podem armazenar grandes quantidades de dados como um servidor Confirmações são muito custosas para as RSSFs

55 Arquitetura de comunicação: Camada de Aplicação Protocolos de aplicação para RSSF: Sensor Management Protocol (SMP): fornece as operações de software necessárias para executar tarefas administrativas, como: introdução de regras relativas à agregação de dados e agrupamento de nós sensores troca de dados relativas aos algoritmos de localização sincronização de tempo entre nós sensores movimentação dos nós móveis alternar estado dos rádios entre ligado e desligado consultar a configuração de um sensor e/ou reconfigurá-lo

56 Arquitetura de comunicação: Camada de Aplicação Protocolos de aplicação para RSSF: Task Assigment and Data Advertisement Protocol (TADAP): Disseminação de interesses Aviso de disponibilidade de dados Sensor Query and Data Dissemination Protocol (SQDDP): Fornece interfaces para usuários realizarem e responderem à consultas e coletarem respostas recebidas

57 Conclusão A flexibilidade, tolerância a falhas, alta fidelidade de detecção, baixo custo e implantação rápida Redes de sensores são extremamente dinâmicas, mesmo na mais estável das situações Restrições são muito rigorosas e específicas: Consumo de energia Capacidade de processamento Capacidade de armazenamento

58 Críticas e Comentários Preço do hardware subestimado Referência na sub-área Data de publicação Artigo bastante abrangente Ausência do tema de simulações