Redes de Sensores. Gustavo Neves Dias COS762 28/11/2005

Transcrição

1 Redes de Sensores Gustavo Neves Dias COS762 28/11/2005

2 Estrutura da Apresentação Motivação Arquitetura de Comunicação Pilha de Protocolos Considerações Finais Referências

3 MOTIVAÇÃO

4 Motivação Sensores Dispositivos que permitem obter informações sobre um fenômeno: Temperatura, Nível, Pressão, Localização, entre outros. Redes de Sensores Composta de um grande Número de Sensores densamente espalhados dentro ou próximo ao fenômeno observado.

5 Motivação Redes de Sensores Desempenham um trabalho cooperativo com o objetivo de obter tais informações. Algumas Características Capacidade de Auto-Organização. Esforço Cooperativo. Podem ser: Estruturadas ou Não. Foco: Não Estruturadas.

6 Motivação Redes de Comunicação Sem Fio Estruturada vs Não-Estruturada Rede não-estruturada Rede infra-estruturada Fonte: [17]

7 Motivação Avanços na eletrônica e em comunicação sem fio tem permitido o desenvolvimento dessas redes com baixo custo.

8 Motivação Diversidade de áreas de aplicação: Segurança, Saúde, Residencial, Ambiental, Transporte, Industrial, entre outros.

9 ARQUITETURA DE COMUNICAÇÃO

10 Arquitetura de Comunicação Esquema Geral Internet ou Satélite Depósito de Dados Nó Gerente Usuário Campo de Sensores Sensores Fonte: [1]

11 Arquitetura de Comunicação Estabelecimento da Rede de Sensores (a) Região de interesse (b) Lançamento dos sensores (c) Despertar dos sensores (d) Organização dos sensores (e) Troca de dados entre os sensores Fonte: [17]

12 Arquitetura de Comunicação Fatores que influenciam um projeto: Tolerância a Falhas Escalabilidade Custo de Fabricação Limitações de Hardware Topologia da Rede Ambiente de Operação Meios de Transmissão Consumo de Energia

13 Arquitetura de Comunicação Tolerância a Falhas Habilidade de manter as funcionalidades da rede sem qualquer interrupção havendo falha em alguns sensores. Podem ocorrer falhas por danos físicos, falta de energia, interferência do ambiente e outros. Confiabilidade é modelada em [2] usando uma dist. Poisson para capturar a prob. de NÃO ter uma falha dentro de um intervalo (0,t): R k (t) = e λ k t onde λ k é a taxa de falha do sensor k. [2]

14 Arquitetura de Comunicação Escalabilidade Dezenas, centenas ou milhares de sensores podem ser empregados no estudo de um fenômeno. Pode-se expressar a Densidade da Rede, μ(r), em termos do No. de sensores por área de cobertura nominal [3]. onde N éo N o. de sensores espalhados na região A, e R é o alcance de transmissão do rádio [3].

15 Arquitetura de Comunicação Custo de Fabricação O custo dos sensores influencia diretamente o custo total da rede. O custo de um sensor deve ser muito menor do que US$ 1 para fazer uma Rede de Sensores ser praticável.

16 Arquitetura de Comunicação Limitações de Hardware Componentes de um Sensor: Sistema de Localização Sistema de Movimentação Unidade Sensitiva Unidade Processamento Sensor ADC Proc. Memória Unidade TX/RX Unidade de Energia Gerador de Energia Fonte: [1]

17 Arquitetura de Comunicação Topologia da Rede Relacionado com a manutenção e mudança da topologia em 3 fases: Fase de Pré-posicionamento e Fase de Posicionamento Pós-posicionamento Reposicionamento de sensores adicionais

18 Arquitetura de Comunicação Ambiente de Operação Interior de Máquinas; Fundo do Mar; Campo Contaminado; Campo de Batalha; Residência; Indústria; Vulcão. Entre outros.

19 Arquitetura de Comunicação Meios de Transmissão Rádio Freqüência (RF) Sensor sem fio μamps em [4] usa um TX/RX de 2.4 GHz compatível com Bluetooth. Arquitetura WINS [5] - Redes de Sensores Integrada Sem Fio (Wireless Integrated Network Sensors) Infravermelho (Infrared) TX/RX são baratos e fáceis de construir. Laser: Smart Dust mode [6]

20 Arquitetura de Comunicação Consumo de Energia Fonte de energia limitada: 0,5 a 1,2V. Fontes de renovação de energia podem não ser disponíveis. Tempo de Vida do Sensor está diretamente ligado ao Tempo de Vida da Bateria. Pode ser dividido em 3 domínios: Ação de sentir o fenômeno ( sensing ) Comunicação / Roteamento de Dados Processamento de Dados

21 PILHA DE PROTOCOLOS

22 Pilha de Protocolos Camada de Aplicação Camada de Transporte Camada de Rede Pilha de Procotolos de Redes de Sensores Camada de Enlace Camada Física Fonte: [1]

23 Pilha de Protocolos Camada Física Responsável pela Seleção da Freqüência, Geração de Portadora, Detecção de Sinal, Modulação e Codificação de dados. É sugerido o uso da banda ISM de 915 MHz. Eficiência em Energia Efeitos da Propagação do Sinal Esquemas de Modulação Binário ou M-ário; sendo Binário o mais eficiente segundo [4].

24 Pilha de Protocolos Camada Física Assuntos Abertos a Pesquisa Esquemas de Modulação: simples e com baixo consumo energia, podendo ser usado com banda base, como o UWB [7], ou passband. Estratégias para superar os efeitos de propagação de sinal. Projeto de Hardware: muito pequeno, baixo consumo energia, unidades de TX/RX, sensitiva e processamento de baixo custo.

25 Pilha de Protocolos Camada de Enlace Responsável por multiplexação de streams de dados, acesso ao meio e controle de erro. Assegura conexões ponto-a-ponto e multipontos confiáveis. Controle de Acesso ao Meio Protocolos MAC precisam alcançar: Habilidade de Auto-Organização. Compartilhamento Justo e Eficiente.

26 Pilha de Protocolos Protocolo MAC Modo de Acesso ao Canal Detalhes da Rede de Sensores Conservação de Energia SMACS e EAR [8] Alocação fixa de dois segmentos de tempo em freqüência fixa. Explora a grande largura de banda disponível comparado com a taxa de dados do sensor. wake up aleatório durante a configuração e desliga o TX/RX enquanto ocioso. Hybrid TDMA/FDMA [4] Centrado em divisão de freqüência e tempo. Calculado o número ótimo de canais para sistema de consumo mínimo de energia Aproximação baseada em Hardware para sistema de minimização de energia. CSMA-based [9] Acesso aleatório baseado em contenção. Adaptação ao nível de aplicação e atraso aleatório da transmissão. Ouvir constantemente para eficiência de energia. Fonte: [1]

27 Pilha de Protocolos Camada de Enlace Modos de Operação de Economia de Energia Esquema de Gerenciamento Dinâmico de Energia é discutido em [10] e 5 modos de economia de energia são propostos e políticas de transição são investigadas. Fonte: [10]

28 Pilha de Protocolos Camada de Enlace Controle de Erro 2 importantes modos de controle de erro Pedido de Retransmissão Automática (ARQ - Automatic Repeat request) Correção de Erro no Envio (FEC - Forward Error Correction)

29 Pilha de Protocolos Camada de Enlace Assuntos Abertos a Pesquisa MAC para redes de sensores móveis. Determinação do limite inferior de energia requerida para a auto-organização da rede de sensores. Esquemas de codificação para Controle de Erro. Modos de Operação de Economia de Energia.

30 Pilha de Protocolos Camada de Rede Responsável pelo Roteamento dos Dados. Projetada a partir dos seguintes princípios: Eficiência em Energia, sempre importante. Geralmente, Roteamento Centrado em Dados. Agregação de Dados. Atributos baseados em rótulos e localização. Fornece comunicação externa com: Outras Redes de Sensores; Sistemas de Controle e Comando; Internet.

31 Pilha de Protocolos Camada de Rede Rotas Eficientes em Energia podem ser encontradas com base: Energia Disponível (PA Power Available). Energia Requerida para Transmissão (α). Estratégias de Escolha de Rota Rota com Máxima PA. Rota consome o Mínimo de α. Rota com Mínimo de Saltos. Rota com Nó onde a Mínima PA é Máxima.

32 Pilha de Protocolos A (PA = 2) α 2 = 1 B (PA = 2) α 8 = 2 C (PA = 2) Rota Rota com Rota consome Nó comonde a Mínima Mínimo o Máxima Mínimo PA de ésaltos Máxima PA de α α 1 = 1 Depósito de Dados D (PA = 3) α 7 = 1 α 4 = 2 α 9 = 2 α 5 = 2 T α 3 = 2 α 10 = 2 E (PA = 1) α 6 = 2 F (PA = 4) Fonte: [1] Rotas Possíveis Entre o Depósito de Dados (DD) e o nó T: Rota 1: DD A B T PA Total = 4, α Total = 3 Rota 2: DD A B C T PA Total = 6, α Total = 6 Rota 3: DD D T PA Total = 3, α Total = 4 Rota 4: DD E F T PA Total = 5, α Total = 6

33 Pilha de Protocolos Camada de Rede Roteamento Centrado em Dados Requer Atributos baseados em rótulos. Baseado na difusão de interesses. Depósito de Dados envia um Broadcast com o interesse; ou Os sensores anunciam que possuem dados disponíveis e aguardam requisições de outros sensores ou depósito de dados interessado.

34 Pilha de Protocolos Camada de Rede Agregação de Dados: Idéia de uma Árvore Multicast Reversa I - DD envia uma pergunta a respeito das condições do ambiente do fenômeno. III Os dados são AGREGADOS quando a mesma informação proveniente de múltiplos sensores alcançam um mesmo sensores no caminho de volta ao Depósito de Dados. II - Os sensores respondem com a informação, roteando através de outros sensores. Depósito de Dados No Exemplo: E agrega dados de A e B; F agrega dados de C e D; e G agrega dados de E e F.

35 Pilha de Protocolos Camada de Rede Comunicação com Redes Externas Pode usar o Depósito de Dados como gateway para outras redes; ou Pode criar um Backbone com vários Depósitos de Dados e conectar o Backbone a outras redes.

36 Pilha de Protocolos Camada de Rede Esquema da Camada de Rede SMECN [11] Flooding Gossiping [12] SPIN [13] Descrição Cria um subgrafo da Rede de Sensores que contém o caminho de mínima energia. Envia dados em broadcast para todos os nós vizinhos, sem levar em consideração se eles já receberam ou não. Envia dados para um vizinho selecionado aleatoriamente. Envia dados para os sensores apenas se eles estiverem interessados. Tem três tipos de mensagens: ADV, REQ e DATA. Estratégia de Roteamento Eficiência de Energia Broadcast Aleatório Centrado em Dados Fonte: [1]

37 Pilha de Protocolos Camada de Rede Esquema da Camada de Rede SAR [8] LEACH [14] Directed diffusion [15] Descrição Cria múltiplas árvores onde a raiz de cada árvore é um sensor vizinho do Depósito de Dados com apenas um salto. A seleção de uma árvore para enviar os dados ao Depósito de Dados é feita de acordo com os Recursos de Energia e Métricas de QoS aditivas. Forma clusters para minimizar o desperdício de energia. Configura um grau de interesse para os dados, do fluxo da fonte para o Depósito de Dados, durante a difusão do interesse. Estratégia de Roteamento Eficiência em Energia e Métricas de QoS Eficiência em Energia Centrado em Dados Fonte: [1]

38 Pilha de Protocolos Camada de Rede Assuntos Abertos a Pesquisa Melhorias para os protocolos citados ou desenvolvimento de novos protocolos que possam lidar em um ambiente com grandes mudanças na topologia e alta escalabilidade.

39 Pilha de Protocolos Camada de Transporte Especialmente necessária quando o sistema planeja ser acessado através da Internet ou redes externas. Uma alternativa clássica é usar o TCP splitting para estabelecer conexão com o Depósito de Dados e utilizar outro procotolo especial dentro da rede de sensores.

40 Pilha de Protocolos Camada de Transporte Assuntos Abertos a Pesquisa Desenvolvimento de novos esquemas que dividam a conexão fim-a-fim, onde podem ser necessários protocolos baseados em UDP para comunicação dentro da rede de sensores e o tradicional TCP/UDP para a Internet.

41 Pilha de Protocolos Camada de Aplicação 3 propostas de protocolos: Protocolo de Gerenciamento de Sensores ( SMP Sensor Management Protocol ) [16]. Protocolo de Anúncio de Dados e Alocação de Tarefas ( TADAP Task Assignment and Data Advertisement Protocol ) [1]. Protocolo de Difusão de Dados e Pesquisa de Sensores ( SQDDP Sensor Query and Data Dissemination Protocol ) [16].

42 Pilha de Protocolos Camada de Aplicação Protocolo de Gerenciamento de Sensores (SMP) Fornece as operações através de software necessárias para executar tarefas Algumas tarefas: Difusão de regras relacionadas a agregação de dados, atributos baseado em rótulos e clustering de sensores; Troca de Dados relacionados a algoritmos de localização.

43 Pilha de Protocolos Camada de Aplicação Algumas tarefas: Sincronização dos sensores. Monitorar do movimento dos sensores. Ligar e Desligar sensores. Pesquisar a configuração e status do sensores. Reconfiguração da Rede de Sensores. Autenticidade, Distribuição de Chaves e Segurança.

44 Pilha de Protocolos Camada de Aplicação Protocolo de Anúncio de Dados e Alocação de Tarefas (TADAP) Difusão de Interesses e Alocação de Tarefas a uma sub-rede de sensores ou a toda rede. Os interesses podem ser designados por atributos do fenômeno (baseado em rótulos ou localização).

45 Pilha de Protocolos Camada de Aplicação Protocolo de Difusão de Dados e Pesquisa de Sensores (SQDDP) Fornece aplicações de usuário com interfaces para Pesquisa de assunto dentro da rede. Estas pesquisas geralmente não são feitas a um sensores em particular, e sim, em atributos do fenômeno.

46 Pilha de Protocolos Camada de Aplicação Um Linguagem de Pesquisa e Envio de Tarefas (SQTL Sensor query and tasking language) é proposta em [16] Baseado no uso de 3 palavras-chaves: RECEIVE: define eventos gerados por um sensor quando recebe uma mensagem; EVERY: define eventos que ocorrem periodicamente devido a timeout EXPIRE: define eventos que ocorrem quando um temporizador expira.

47 EXEMPLO DE APLICAÇÃO The Cricket Indoor Location System

48 Exemplo de Aplicação Sistema de Localização Interna Cricket ( The Cricket Indoor Location System ). É um Projeto do MIT (MIT's Project Oxygen). O sistema fornece informações de localização identificadores de local (sala), coordenadas da posição e orientação de sensores, notebooks ou palms que executam o aplicativo.

49 Exemplo de Aplicação Visão Geral do Sistema de Localização Cricket

50 Exemplo de Aplicação Rastreamento e Localização Distribuída em Rede de Sensores

51 Exemplo de Aplicação Rastreamento e Localização Distribuída em Rede de Sensores

52 CONSIDERAÇÕES FINAIS

53 Em Resumo São muitas as características e exigências peculiares às Redes de Sensores. Muitos trabalhos são recentes, o que mostra uma vasta área de pesquisa ainda pouco explorada. Em [1] há uma tabela com alguns projetos de pesquisa em Redes de Sensores atuais.

54 REFERÊNCIAS

55 Referências [1] Akyildiz, I.F.; Weilian Su; Sankarasubramaniam, Y.; Cayirci, E.; A survey on sensor networks, Communications Magazine, IEEE, Volume 40, Issue 8, Aug. 2002, Page(s): [2] Hoblos, G.; Staroswiecki, M.; Aitouche, A.; Optimal design of fault tolerant sensor networks, Control Applications, Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Sept. 2000, Page(s): [3] Bulusu et. al., Scalable Coordination For Wireless Sensor Networks: Self-configuring Localization Systems, ISCTA 2001, Ambleside, U.K., July 2001.

56 Referências [4] E. Shih et al., Physical Layer Driven Protocol and Algorithm Design for Energy-Efficient Wireless Sensor Networks, Proc. ACM MobiCom 01, Rome, Italy, July 2001, pp [5] G. J. Pottie and W. J. Kaiser, Wireless Integrated Network Sensors, Commun. ACM, vol. 43, no. 5, May 2000, pp [6] J. M. Kahn, R. H. Katz, and K. S. J. Pister, Next Century Challenges: Mobile Networking for Smart Dust, Proc. ACM MobiCom 99, Washington, DC, 1999, pp [7] R. J. Cramer, M. Z. Win, R. A. Scholtz, Impulse Radio Multipath Characteristics and Diversity Reception, ICC 98, vol. 3, 1998, pp

57 Referências [8] K. Sohrabi et al., Protocols for Self-Organization of a Wireless Sensor Network, IEEE Pers. Commun., Oct. 2000, pp [9] A. Woo, and D. Culler, A Transmission Control Scheme for Media Access in Sensor Networks, Proc. ACM MobiCom 01, Rome, Italy, July 2001, pp [10] A. Sinha and A. Chandrakasan, Dynamic Power Management in Wireless Sensor Networks, IEEE Design Test Comp., Mar./Apr [11] L. Li, and J. Y. Halpern, Minimum-Energy Mobile Wireless Networks Revisited, ICC 01, Helsinki, Finland, June 2001.

58 Referências [12] S. Hedetniemi, S. Hedetniemi, and A. Liestman, A Survey of Gossiping and Broadcasting in Communication Networks, Networks, vol. 18, [13] W. R. Heinzelman, J. Kulik, and H. Balakrishnan, Adaptive Protocols for Information Dissemination in Wireless Sensor Networks, Proc. ACM MobiCom 99, Seattle, WA, 1999, pp [14] W. R. Heinzelman, A. Chandrakasan, and H. Balakrishnan, Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks, IEEE Proc. Hawaii Int l. Conf. Sys. Sci., Jan. 2000, pp

59 Referências [15] C. Intanagonwiwat, R. Govindan, and D. Estrin, Directed Diffusion: A Scalable and Robust Communication Paradigm for Sensor Networks, Proc. ACM MobiCom 00, Boston, MA, 2000, pp [16] C. Shen, C. Srisathapornphat, and C. Jaikaeo, Sensor Information Networking Architecture and Applications, IEEE Pers. Commun., Aug. 2001, pp [17] Loureiro, A. A. F., Nogueira, J. M. S., Ruiz, L. B., Mini, R. A., Nakamura, E. F., and Figueiredo, C. M. S. (2003b). Redes de Sensores Sem Fio, 21º Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores (SBRC'03), Págs , Natal, RN, Brazil. Tutorial

60 FIM Obrigado!