Análise da eficiência de energia de esquemas de retransmissão em redes de sensores IEEE

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1 Aálise da eiciêcia de eegia de esquemas de etasmissão em edes de sesoes IEEE João. Kleischmidt e Walte C. Boelli Depatameto de Telemática - DT Faculdade de Egehaia Elética e de Computação - FEEC Uivesidade Estadual de Campias - UNICAMP {joaohk,boelli}@dt.ee.uicamp.b Abstact - This pape aalyzes the eegy eiciecy o etasmissio schemes i IEEE wieless seso etwoks. A aalytical model is peseted to evaluate the eegy eiciecy i Rayleigh adig chaels. Peomace esults ae obtaied o multihop etwoks with dieet chael coditios ad packet sizes. The esults have show that the etasmissio scheme o the IEEE stadad is eegy eiciet o etwoks with highe umbe o hops ad lowe values o sigal-to-oise atio. Resumo Este atigo aalisa a eiciêcia de eegia de esquemas de etasmissão em edes de sesoes sem io IEEE Um modelo aalítico é apesetado paa cálculo da eiciêcia de eegia em caais com desvaecimeto Rayleigh. Os esultados são obtidos paa edes com múltiplos saltos e dieetes codições de caal. Os esultados mostaam que a estatégia de etasmissão do padão IEEE é eiciete em eegia paa edes com muitos saltos e paa baixos valoes de elação sial-uído. I. INTRODUÇÃO A evolução da comuicação sem io e a miiatuização dos compoetes eletôicos têm pemitido o desevolvimeto de sesoes de baixo custo e baixa potêcia. Estes dispositivos podem oma um tipo especial de edes ad hoc, as edes de sesoes []. Cada ó seso possui compoetes paa sesoiameto, pocessameto de dados e comuicação. Algumas aplicações destas edes são o moitoameto ambietal em locais como loestas e oceaos, teste de qualidade de podutos em um ambiete idustial, ete outas. Os potocolos e algoitmos das edes de sesoes devem te capacidade de auto-ogaização. Estas edes são caacteizadas pela limitação de eegia, baixa lagua de bada, pequeo tamaho de memóia e capacidade computacioal, gade úmeo de ós, modelo de táego dieete das edes ad hoc tadicioais e sesoes mais suscetíveis à alhas. O potocolo de acesso ao meio (MAC) é esposável pela ciação da ia-estutua da ede e pelo compatilhameto dos ecusos de comuicação ete os ós. Váias tecologias existetes vêm sedo testadas em edes de sesoes e outas são desevolvidas especiicamete paa este im. O padão IEEE [2] oi desevolvido paa aplicações de edes de sesoes com baixo custo, baixo cosumo de eegia e baixas taxas de tasmissão. Apeas a camada ísica e a camada MAC são padoizadas pelo IEEE. As camadas de ede supeioes são padoizadas com o ome de ZigBee po um cosócio de váias empesas. É o picipal padão existete que oi pojetado paa as caacteísticas especíicas das edes de sesoes [3], [4]. Os caais sem io possuem taxas de eo altas devido à iteeêcia e ao desvaecimeto geado pelo multipecuso. Paa aumeta a coiabilidade dos dados eviados o caal sem io, váias técicas podem se empegadas, como o uso de estatégias de etasmissão (ARQ), códigos coetoes de eo (FEC) ou o cotole da potêcia de tasmissão [5]. Emboa estatégias de cotole de eos melhoem a coiabilidade de etega de pacotes, a tasmissão de bits adicioais estes esquemas cotibui também paa o aumeto do cosumo de eegia, ou seja, existe um compomisso ete a coiabilidade e o cosumo de eegia. Algus autoes têm estudado esta questão paa esquemas de cotole de eos em edes de sesoes sem io [6], [7], [8], [9], []. Em [6] e [7] a eiciêcia de eegia de dieetes técicas de cotole de eos oi aalisada paa edes de sesoes com um tasceive de ádio comecial usado um modelo aalítico. A coiabilidade e o cosumo de eegia oam aalisados em [8] usado simulação paa edes de sesoes sem ehuma tecologia especíica ou modelo de caal. A eiciêcia de eegia de estatégias de cotole de eos do padão Bluetooth oi aalisada em um caal com desvaecimeto Rayleigh usado simulação e ovos esquemas de cotole de eos oam popostos em [9] e []. Algus estudos têm sido eitos sobe o desempeho [3] e a eiciêcia de eegia [4] do IEEE , poém ehum destes atigos aalisa especiicamete os esquemas de cotole de eos deste padão. Neste atigo é poposto um modelo aalítico paa a eiciêcia de eegia de estatégias de etasmissão do padão IEEE A mética de eiciêcia de eegia cosidea em um úico paâmeto os equisitos de coiabilidade e eegia das edes de sesoes. São aalisados dois esquemas de cotole de eos paa edes de sesoes usado códigos CRC (Cyclic Redudacy Check), com e sem etasmissão. O

2 caal sem io é modelado com desvaecimeto Rayleigh. Os esultados são obtidos paa edes de sesoes com dieetes úmeos de saltos e codições de caal. Na Seção II são apesetadas as picipais caacteísticas do padão IEEE O modelo aalítico paa cálculo da eiciêcia de eegia de estatégias de etasmissão é apesetado a Seção III e os esultados obtidos são descitos a Seção IV. Fialmete, a Seção V az as cosideações iais. II. O PADRÃO IEEE O padão IEEE oi desevolvido paa sesoes de baixa potêcia, omado edes com um tempo de vida de váios meses ou até aos sem a ecessidade de toca de bateias [2], [3]. Os dispositivos podem opea em dieetes badas: 2,4 Gz (global), Mz (Améicas) e 868 Mz (Euopa). Em 2,4 Gz (6 caais) as taxas chegam a 25 Kbps, com modulação OQPSK (Oset-Quadatue Phase-Shit Keyig) e espalhameto espectal po seqüêcia dieta (DSSS). As badas de 868 Mz ( caal) e 95 Mz ( caais) também usam DSSS, mas com modulação BPSK (Biay Phase-Shit Keyig), atigido taxas de dados de até 2 Kbps e 4 Kbps, espectivamete. O alcace espeado é de a metos, depededo das caacteísticas do ambiete. O padão deie dois mecaismos paa acesso ao meio: beaco e o-beaco. Neste tabalho é usado o modo o-beaco, que utiliza a técica CSMA-CA (Caie-Sese Medium Access with Collisio Avoidace). Duas topologias de ede são supotadas: estela e poto-apoto. Na topologia estela a comuicação é eita ete os dispositivos e um cotolado cetal, o coodeado da ede. Na topologia poto-a-poto, cada dispositivo da ede pode se comuica com qualque outo que esteja ao seu alcace. A Fig. mosta uma ede de sesoes poto-a-poto com múltiplos saltos ode um seso deve evia os dados paa um dispositivo cetal, chamado de coleto. O ó coleto é esposável po ecebe todas as iomações da ede, bem como executa taeas de geeciameto dos ós. A ede da Fig. é apeas um exemplo de uma ota da ede de sesoes, pois podem existi outas otas do seso até o coleto. Fig.. Rede de sesoes com múltiplos saltos. Cada pacote, chamado de uidade de potocolo de dados PY (PPDU), cotém um cabeçalho de sicoização (5 bytes), um cabeçalho de byte com o tamaho do quado e a uidade de seviço de dados PY (PSDU) de o máximo 27 bytes. O quado PSDU pode se de 4 tipos: beaco, comado MAC, ACK e de dados. O quado beaco só é usado quado a ede está opeado o modo beaco. O quado de comado MAC pode se usado paa coiguação e cotole emoto dos ós. O quado ACK é usado paa ioma ao tasmisso se o pacote oi ecebido com eos ou ão. O quado de dados é ode está o payload com a iomação a se eviada. Todos estes quados possuem iomação de cotole de quado, úmeo de seqüêcia, edeeço (meos o quado ACK) e aida um código CRC paa detecção de eos. Nehum tipo de código coeto de eos é supotado pelo padão. O uso do esquema de etasmissão dispoibilizado pelo padão é opcioal. Um dispositivo que evia um pacote com o campo de equisição de coimação do pacote igual a deve assumi que a tasmissão oi eita com sucesso e ão deve aze o pocedimeto de etasmissão. Se o campo de equisição de coimação é igual a o tasmisso deve espea po o máximo macackwaitduatio paa que o quado ACK coespodete seja ecebido. Se o quado ACK é ecebido deto deste tempo máximo de duação e cotém o mesmo úmeo de seqüêcia de dados da tasmissão oigial a tasmissão é cosideada completa. Se um quado ACK ão é ecebido deto do tempo máximo ou é ecebido com uma seqüêcia dieete da tasmissão oigial, é cosideado que houve eo a tasmissão. O dispositivo deve etão epeti o pocesso de tasmissão e espea pelo quado ACK o máximo amaxfamereties vezes. Se o ACK ão é ecebido depois deste úmeo máximo de etasmissões, o dispositivo assume que a tasmissão alhou e otiica a camada de ede supeio. III. MODELO ANALÍTICO São aalisados 2 esquemas de cotole de eos: ) código CRC paa detecção de eos sem etasmissão; 2) código CRC paa detecção de eos com etasmissão. No pimeio esquema o código CRC é usado apeas paa veiicação de eos. Se houve eo o pacote é descatado e ão é tasmitido paa o póximo ó (uma ede com múltiplos saltos). Num esquema sem CRC, o pacote seia tasmitido ao póximo ó mesmo que tivesse eos. No segudo esquema, o código CRC é usado paa detecção de eos e solicitação de etasmissão. É eviado um pacote paa coima ou ão a ecepção, azedo com que o tasmisso eevie o pacote em caso de eos. Estes dois esquemas são compaados com um sistema sem capacidade de detecção de eos ou etasmissão. Paa calcula a eiciêcia de eegia dos esquemas de etasmissão IEEE , as pobabilidades de eo de pacote devem se calculadas. Um pacote ecebido ão é aceito quado qualque um dos seguites evetos acotece: (A) o destio alha a sicoização com o pacote eviado; (B) o cabeçalho do pacote eviado está coompido; (C) os dados do pacote eviado estão coompidos, causado a alha a veiicação de CRC; (D) a ote é icapaz de sicoiza com o pacote ACK; (E) o cabeçalho do pacote ACK está coompido e (F) os campos do pacote ACK estão coompidos, causado alha a veiicação de CRC.

3 Um pacote é sicoizado se todos os bytes do cabeçalho de sicoização são ecebidos coetamete: A pobabilidade de um pacote se coetamete ecebido o ó coleto paa os pacotes sem ARQ é dada po: A] p( γ ) 4 () P ( ) () [ ] ode p( γ ) é a pobabilidade de eo de símbolo do caal dieto em ução da elação sial-uído (SNR) média ecebida γ. Como o pacote ACK também tem um cabeçalho de sicoização de 4 bits, a pobabilidade paa o eveto D tem a mesma oma, 4 D] F ] [ p( γ )] (2) ode p( γ ) é a pobabilidade de eo de símbolo do caal eveso. O eveto F ocoe quado qualque um dos 5 bytes (4 bits) do pacote ACK são ecebidos com eo e também é calculado pela equação (2). Os evetos B ou E ocoem se qualque bit do cabeçalho PY o ecebido com eo: 8 B] [ p( γ )] (3) 8 E ] [ p( γ )] (4) O eo mais povável é o do tipo C, que ocoe quado qualque um dos bits da PSDU é ecebido com eos: b C ] p( γ ), [ ] aq PER ode é o úmeo total de saltos. Cosidee o úmeo de etasmissões de um pacote com ARQ. Assumido que o código CRC é capaz de detecta todos os eos e que o úmeo máximo de etasmissões é iiito (amaxfamereties ), a pobabilidade que um pacote chegue coetamete o coleto é: [ ] P + ( )( ) (2) aq PER PER A pobabilidade de acoteceem etasmissões é o poduto de alha as - tasmissões e a pobabilidade de sucesso a eésima tasmissão: p [ ] ( )( ) (3) N PER PER Etão, a equação (4) é usada paa calcula o úmeo médio de etasmissões N em um salto: N p [ ] (4) (5) O úmeo de pacotes ecebidos com eo o coleto pode se deiido paa os pacotes sem ARQ como o poduto do úmeo total de pacotes tasmitidos pac e a pobabilidade que o pacote chegue com eo o coleto: ode b é o tamaho da PSDU em bits. O valo de b depede da iomação de edeeço do dispositivo e do tamaho dos dados. Neste tabalho é cosideado que o campo edeeço ocupa o tamaho máximo pemitido: 2 bytes. O padão IEEE usa dieetes tipos de modulação, como visto a seção ateio. Neste atigo é cosideada apeas a modulação OQPSK, a mais utilizada po atigi a maio taxa de tasmissão. A pobabilidade de eo de símbolo p(γ ) paa a modulação OQPSK é dada po[]: p ( γ ) Q 2γ (6) ode Q ( x) é : ( ) 2 u Q ( x) exp du 2π x 2 Assim, a pobabilidade de eo de pacote do caal dieto, PER, e eveso, PER, podem se deiidas po: PER PER ( ) A]B]C] dγ γ (8) ( γ ) D] E] F] dγ (9) ode (γ ) e (γ ) são as uções de desidade de pobabilidade do caal dieto e eveso, espectivamete. O caal sem io é modelado usado desvaecimeto Rayleigh, cuja ução desidade de pobabilidade é dada po: γ ( γ ) exp, paa γ γ γ ode γ é a SNR media ecebida e γ é a SNR istatâea. As pobabilidades de eo de pacote podem etão se calculadas usado a equação () em (8) e (9). Está sedo cosideado que as codições de popagação ete o tasmisso e o ecepto são as mesmas as duas dieções, ou seja, γ γ. eo N ( P ) (5) Fazedo as mesmas cosideações da equação (2), ehum dos pacotes ARQ é ecebido o coleto com eos e assim eo : ( P ) (6) aq eo aq pac A coiabilidade R é dada pela pocetagem dos pacotes eviados que são ecebidos coetamete o coleto e pode se calculada da seguite oma: R ) / ] (7) pac [( pac eo pac (7) Como ão está sedo usado ehum hadwae especíico, o cosumo de eegia é expesso de oma omalizada. As eegias cosideadas são as gastas o pocesso de comuicação (tasmissão e ecepção). É cosideado o mesmo modelo de [8] e [9], ode a ecepção de um bit cosome apoximadamete 75% da eegia gasta paa tasmiti um bit. A eegia míima cosumida E mi paa saltos é calculada paa um pacote sem ehum cotole de eos (sem ARQ): ( + ) E mi pac bits bits.75 (8) ode bits é o úmeo total de bits do pacote. A eegia cosumida total E uma ede de sesoes paa um pacote sem ARQ é o úmeo total de bits tasmitidos e ecebidos: () ( +.75) E (9) pac bits bits Paa os pacotes com ARQ, a eegia E é o úmeo total de bits tasmitidos e ecebidos, icluido as etasmissões: E N + + ( + ).75 (2) [ ] pac bits ack bits ack ode ack é o úmeo total de bits do pacote de etoo (ACK).

4 Paa calcula a eegia E paa o caso do esquema (CRC sem ARQ) é peciso calcula o úmeo médio de saltos que um pacote vai te a ede sem se descatado. A pobabilidade que um pacote atija h saltos é o poduto do sucesso em h- saltos e a pobabilidade de alha o h-ésimo salto, se h<. Se h a pobabilidade de um pacote atigi saltos é o poduto do sucesso os h- saltos e a pobabilidade de alha o h- ésimo salto mais a pobabilidade de sucesso em saltos: h p[ h] [( PER ) ( PER )], se h < (2) h h p [ h] [( PER ) ( PER ) + ( PER ) ], se h Etão o úmeo médio saltos pode se calculado: h p [ h] h (22) A eegia total cosumida E paa os pacotes com CRC e sem ARQ é: E +.75 (23) ( ) pac bits bits Paa uma ede de sesoes se cosideada eiciete em eegia, o máximo úmeo de bits de dados deve se tasmitido com o míimo cosumo de eegia. O paâmeto de eiciêcia de eegia η pode se deiido como: E η mi R (24) E IV. RESULTADOS DO MODELO ANALÍTICO Nos esultados obtidos paa eiciêcia de eegia apesetados esta seção um seso evia pacotes ao coleto ( pac ). Apeas um ó seso tasmite de cada vez. Assume-se que a ede IEEE está omada e opeado o modo o-beaco com uma ota já estabelecida. São usados os 2 tipos de esquemas deiidos a Seção III (/64 e /64) paa dieetes tamahos de dados: 32 e 64 bytes. Estes tipos de pacotes jutamete com o pacote sem cotole de eos (/64) são listados a Tabela I. Tabela I. Tipos de pacotes Tipo ARQ CRC Dados (bytes) /64 Sim Sim 32/64 /64 Não Não 32/64 /64 Não Sim 32/64 As Figuas 2 a 4 mostam a eiciêcia de eegia em ução da elação sial-uído paa pacotes com 32 bytes de dados e dieetes úmeos de saltos. Quado a SNR dimiui, a eiciêcia de eegia também dimiui. No etato, os dieetes esquemas têm desempeho dieete quado o úmeo de saltos vaia. Paa salto (Fig. 2) sempe é mais vatajoso ão usa ehum tipo de etasmissão. Paa 5 saltos (Fig. 3), ão usa etasmissão ( e ) tem melho eiciêcia de eegia quado a SNR está acima de 5 db. Abaixo desse valo o esquema de etasmissão () tem maio eiciêcia, pois como a qualidade do caal está pio, algum tipo de cotole de eos é ecessáio. O esquema () sempe é melho que. Em edes com múltiplos saltos é mais eiciete usa código CRC paa detecta eos e descata os pacotes eôeos do que ão usa ehum tipo de detecção de eos, pois os pacotes com eo são epassados ao póximo ó, gastado eegia desecessaiamete. Paa 5 saltos (Fig. 4), o uso de etasmissão tem melho eiciêcia de eegia paa valoes de SNR abaixo de apoximadamete 23 db. Com o aumeto do úmeo de saltos aumeta também a ecessidade de cotole de eos. As Figuas 5 a 7 mostam a eiciêcia de eegia paa pacotes com 64 bytes de dados paa, 5 e 5 saltos, espectivamete. O desempeho dos esquemas de cotole de eos paa 64 bytes é paticamete o mesmo que os obtidos paa 32 bytes. Paa poucos saltos e boas codições de caal (SNR acima de 25 db), a melho opção é ão usa etasmissão. Quado a ede tem mais saltos ou o valo da SNR ão é muito alto (abaixo de 2 db), usa etasmissão tem melho eiciêcia de eegia. A picipal dieeça ete pacotes com 32 e 64 bytes de dados é que com 64 bytes a estatégia de etasmissão é melho paa uma aixa mais ampla de SNR. Paa 5 saltos, po exemplo, o esquema de etasmissão tem a maio eiciêcia de eegia paa valoes de SNR até 5 db, paa 32 bytes (Fig. 3), e até apoximadamete 8 db, paa 64 bytes (Fig. 6). As Figuas 8 a mostam a eiciêcia de eegia em ução do úmeo de saltos da ede paa, 2 e 3 db de elação sial-uído. Estes gáicos eoçam as coclusões tiadas das Figuas 2 a 7. A obsevação mais iteessate é que a eiciêcia dos pacotes com etasmissão () dimiui apeas com a SNR, pemaecedo costate com o aumeto do úmeo de saltos. Equato que a eiciêcia de eegia paa os demais esquemas ( e ) paticamete tede a zeo com a degadação da elação sial-uído e do úmeo de saltos (Fig. ), a estatégia de etasmissão () cosegue mate a eiciêcia de eegia em um valo azoável mesmo paa uma codição de caal muito sevea.,8,6,4, Fig. 2. Eiciêcia de eegia paa salto, 32 bytes.

5 ,8,8,6,6,4,2,4,2 A64 N64 C Fig. 3. Eiciêcia de eegia paa 5 saltos, 32 bytes. Fig. 6. Eiciêcia de eegia paa 5 saltos, 64 bytes.,8,8,6,6,4,4 A64,2,2 N64 C Fig. 4. Eiciêcia de eegia paa 5 saltos, 32 bytes Fig. 7. Eiciêcia de eegia paa 5 saltos, 64 bytes.,8,8,6,6,4,2 A64 N64,4, SNR (db) Fig. 5. Eiciêcia de eegia paa salto, 64 bytes saltos Fig. 8. Eiciêcia de eegia paa 3 db.

6 ,8,6,4,2,8,6,4, saltos Fig. 9. Eiciêcia de eegia paa 2 db saltos Fig.. Eiciêcia de eegia paa db. V. CONCLUSÃO Neste atigo oi aalisada a eiciêcia de eegia de estatégias de etasmissão em edes de sesoes sem io usado o padão IEEE Um modelo aalítico oi poposto paa cálculo da mética de eiciêcia de eegia em caais com desvaecimeto Rayleigh. Os esultados mostaam que as codições de caal e o úmeo de saltos aetam o desempeho da ede. Paa boas codições de caal (SNR acima de 25 db) e poucos saltos, ão é ecessáio usa etasmissão. Nestas codições o uso de CRC apeas paa detecção de eos é a melho opção. Paa mais saltos e qualidade de caal uim (SNR abaixo de 2 db) deve-se usa etasmissão. O modelo apesetado este atigo pode se adaptado paa outas tecologias de edes de sesoes e outos esquemas de cotole de eos, como um código coeto de eo e esquemas híbidos (FEC/ARQ). REFERÊNCIAS [] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sakaasubamaiam e E. Cayici, A suvey o seso etwoks, IEEE Commuicatios Magazie, pp. 2-4, Agosto 22. [2] IEEE Std , IEEE Stadad o wieless medium access cotol (MAC) ad physical laye (PY) speciicatios o low-ate wieless pesoal aea etwoks (LR-WPANs), 23. [3] J. Misic, S. Shai e V. B. Misic, The impact o MAC paametes o the peomace o PAN, Ad oc Netwoks vol. 3, pp , Setembo 25. [4] B. Bougad, F. Catthoo, D. Daily, A. Chadasaka e W. Dehaee, Eegy eiciecy o the IEEE stadad i dese wieless micoseso etwoks: modelig ad impovemet pespectives, IEEE Desig, Automatio ad Test, Muique, Alemaha, Maço 25. [5]. Liu,. Ma, M. El Zaki e S. Gupta, Eo cotol schemes o etwoks: a oveview, Mobile Netwoks ad Applicatios, vol. 2, pp , Juho 997. [6] Y. Sakaasubamaia, I. F. Akyildiz e S. W. Mc Laughli, Eegy eiciecy based packet size optimizatio i wieless seso etwoks, Poc. o Seso Netwok Potocols ad Applicatios, 23. [7]. Kavoe, Z. Shelby e C. Pomala-Ráez. Codig o eegy eiciet wieless embedded etwoks, It. Wokshop o Wieless Ad-hoc Netwoks, 24. [8] J. Mee, M. Nijdam e M. Bijl, Adaptive eo cotol i a wieless seso etwok usig packet impotace valuatio, adwae/sotwae codesig, Eschede, olada, Maio 23. [9] J.. Kleischmidt, W. C. Boelli e M. E. Pellez, Powe eiciet eo cotol o Bluetooth-based seso etwoks, IEEE Local Compute Netwoks Coeece, Sydey, Austalia, Novembo 25. [] J.. Kleischmidt, W. C. Boelli e M. E. Pellez, Custom eo cotol schemes o eegy eiciet Bluetooth seso etwoks, SBT/IEEE Iteatioal Telecommuicatios Symposium, Fotaleza, Basil, Setembo 26. [] B. Skla, Digital Commuicatios, Petice all, 995.