PROST: Um Protocolo de Roteamento Sensível ao Tempo para Redes de Sensores Sem Fio

Universidade Federal do Ceará Centro de Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Teleinformática PROST: Um Protocolo de Roteamento Sensível ao Tempo para Redes de Sensores Sem Fio Dissertação de Mestrado João Batista Borges Neto Orientadora: Rossana Maria de Castro Andrade, PhD. Co-Orientador: Pedro Fernandes Ribeiro Neto, DSc. Fortaleza Agosto - 2009

João Batista Borges Neto PROST: Um Protocolo de Roteamento Sensível ao Tempo para Redes de Sensores Sem Fio Dissertação de Mestrado submetida à Coordenação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Teleinformática da Universidade Federal do Ceará como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Teleinformática. Orientadora: Rossana Maria de Castro Andrade, PhD. Co-Orientador: Pedro Fernandes Ribeiro Neto, DSc. Fortaleza Agosto - 2009

Dedico esta dissertação à minha família e à minha noiva Patrícia.

Agradecimentos A conclusão de uma meta é o momento ideal para reetirmos sobre tudo o que passamos para chegar onde chegamos. Ao olharmos para trás lembramos de todos os momentos de diculdades e provações que necessitamos superar. Toda essa nossa trajetória, de pequenas vitórias, conquistas a cada dia que passamos, é nossa história, e que nos faz ser o que hoje somos. Tudo isso não seria possível sem a ajuda daqueles que encontramos por nosso caminho, motivando-nos a seguir sempre em frente e que merecem nossos mais sinceros agradecimentos. Como forma de agradecimento, dedico este trabalho à toda minha família, sem exceções, mas, principalmente, à minha mãe Eliza, meu irmão Max, minha avó Salomé (in memoriam) e meu avô João Borges, que sempre estiveram ao meu lado, acreditando nos meus objetivos e me ensinando que com persistência e dedicação poderia alcançá-los. Agradeço em especial à minha noiva Patrícia, por ser sempre a minha fonte de inspiração e motivação, pela dedicação e apoio nos momentos difíceis, por estar sempre ao meu lado, mostrando-me a cada dia a beleza que há na vida e que juntos podemos superar todas as diculdades e adversidades da vida. Também agradeço à sua família, Carlos, Guacira, Daniela e Carolina, que me receberam como um membro da família, sempre me incentivando a seguir em frente na busca de minhas metas. Agradeço à minha professora e orientadora Rossana Andrade, por acreditar e apostar em minha capacidade e no potencial deste trabalho, proporcionando meios para torná-lo um trabalho cientíco. Também agradeço por sua dedicação e paciência no decorrer de todo o mestrado, que me ajudou a amadurecer pessoal e prossionalmente, tornando-me uma pessoa mais dedicada e focada em minhas pesquisas. Agradeço ao meu professor e co-orientador Pedro Fernandes, por acreditar e me acompanhar nesta jornada cientíca, desde a graduação, ajudando-me a enfrentar

os desaos na busca pelo conhecimento. Pela sinceridade de seus conselhos, sempre nos momentos certos, que me incentivam a buscar sempre novas metas e sonhos. Muitos amigos me ajudaram no decorrer deste trabalho e sem eles sua conclusão não teria sido possível. Agradeço a todos os amigos que de alguma forma me ajudaram ao longo dessa jornada, em especial a Bosco, Bruno Góis, Bruno Sabóia, Carina, Carlos André, Carlos Giovanni, Cláudio, Clayton, Danyel Perote, Davi, Diana, Fabiana, Fátima, Flávio, Gilverlan, João Marcelo, Jeerson, Levi, Lincoln, Luana, Márcio, Marcos Dantas, Michel, Mirko, Neto, Paulo Henrique, Reinaldo, Rute, Saulo e Valéria. Agradeço também aos meus amigos que sempre estiveram ao meu lado durante a busca por novos conhecimentos e novos desaos a serem superados, especialmente a Israel Sousa e João Medeiros, por serem também fonte de inspiração e motivação no decorrer da minha pesquisa. Agradeço a todos os professores do PPGETI, pelo conhecimento compartilhado e pelo exemplo de dedicação e comprometimento. Aos servidores do GREat, por todo o suporte necessário para a realização das minhas atividades, em especial à Chistiane, Danilo, Darilú, Liliane, Sr. Adir e Suzana. Aos meus amigos Márcia e Thiago, Cristiano e Saul, que proporcionaram a minha estada em Fortaleza, me cedendo uma moradia e dividindo o convívio com o mundo fora dos muros da universidade, meus sinceros agradecimentos. Por m, agradeço à FUNCAP pelo fomento essencial para a minha permanência no mestrado e permitindo me dedicar inteiramente ao mestrado e minha pesquisa.

Seja sábio no uso do tempo. A questão da vida não é quanto tempo nós temos?. A questão é o que vamos fazer com ele?. Anna Robertson Brown

Resumo Os avanços nas pesquisas em Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) têm permitido sua utilização para os mais diversos ns. Missões espaciais não tripuladas, e explorações subaquáticas e interplanetárias são exemplos de ambientes críticos e perigosos que podem se beneciar com a utilização de RSSF. As aplicações nestes ambientes compartilham a necessidade de operação sem intervenção humana, por serem ambientes inacessíveis para o homem ou pelo dinamismo imposto por sua própria natureza. Esta necessidade de autonomia e eciência no cumprimento de suas tarefas, sob diferentes condições do ambiente, insere novos desaos para as RSSF. Além das tradicionais limitações físicas que possuem, a utilização de RSSF como fonte coletora de dados nesses ambientes desaadores requer a capacidade de suporte à observação em tempo real, considerando sua imprevisibilidade, com relação à mobilidade e à quantidade de nós e dados coletados. Portanto, nesta dissertação é proposto o PROST, um Protocolo de Roteamento Sensível ao Tempo, que tem como objetivo permitir que as RSSF possam ser utilizadas para monitoramento de ambientes desaadores, que possuem a necessidade de leituras com restrições em tempo real, mesmo sob condições críticas de operação. Para analisar a eciência do PROST, são apresentados resultados de simulação da sua implementação e sua comparação com os resultados obtidos da simulação de outros protocolos existentes na literatura. Palavras-chave: Redes de Sensores Sem Fio; Protocolos de Roteamento; Sistemas de Tempo Real; Computação Móvel

Abstract Advances in the research of Wireless Sensor Networks (WSN) have allowed their use for several purposes. Unmanned space missions, and interplanetary and underwater explorations are examples of critical and dangerous environments that can benet from their use. Applications in these environments share the need of operation without human intervention, either because they are inaccessible environments to humans or by the dynamics imposed by their own nature. This need for autonomy and eciency in executing their tasks, under dierent environmental conditions, brings new challenges for WSN. Besides the traditional physical limitations they have, using WSN as a source of collecting data in challenging environments requires the ability to support real-time observations of the monitoring environment, considering its unpredictability with respect to mobility and the variable amount of nodes and collected data. Thus, in this work we propose PROST, a time-aware routing protocol, which aims to enable the WSN for monitoring of challenging environments, which have the need for data with real-time constraints, even under critical conditions of operation. PROST is implemented and simulation results are generated. These results are then analyzed to do a comparison of the eciency between PROST and other related protocols. Keywords: Wireless Sensor Networks; Routing Protocols; Real-Time Systems; Mobile Systems

Sumário 1 Introdução 19 1.1 Contexto.................................. 19 1.2 Motivação................................. 20 1.3 Objetivos................................. 22 1.3.1 Objetivo Geral.......................... 22 1.3.2 Objetivos Especícos....................... 23 1.4 Metodologia................................ 23 1.5 Estrutura do Documento......................... 24 2 Redes de Sensores Sem Fio 26 2.1 Denição.................................. 26 2.2 Sensores Inteligentes........................... 27 2.3 Características.............................. 29 2.3.1 Limitações............................. 29 2.3.2 Mobilidade............................ 30 2.3.3 Comunicação........................... 31 2.3.4 Colaboração............................ 32 2.3.5 Manipulação de Dados...................... 33 2.3.6 Localização e Identicação.................... 33 2.3.7 Autonomia............................ 34 2.4 Aplicações................................. 35 2.4.1 Missões Espaciais......................... 35 2.4.2 Indústrias............................. 36 2.4.3 Monitoramento de Espécies Animais.............. 37 2.4.4 Monitoramento de Condições Ambientais............ 38 2.5 Conclusão................................. 39 10

3 Sistemas de Tempo Real 40 3.1 Denição.................................. 40 3.2 Aplicações................................. 41 3.2.1 Sistemas Embarcados de Tempo Real.............. 42 3.2.2 Sistemas Embarcados Distribuídos de Tempo Real....... 43 3.2.3 RSSF para Sistemas de Tempo Real............... 44 3.3 Comunicações em Tempo Real...................... 48 3.3.1 Métricas para Comunicações em Tempo Real.......... 48 3.3.2 Atraso como Métrica....................... 50 3.3.3 Fontes de Atraso......................... 51 3.4 Sincronização de Tempo......................... 53 3.4.1 A Necessidade de Sincronização de Tempo........... 54 3.4.2 Exemplos de Aplicações..................... 55 3.4.3 Classicações de Sincronização de Tempo............ 58 3.5 Conclusão................................. 64 4 Mecanismos de Otimização 65 4.1 A Necessidade de Otimização...................... 65 4.2 Redução do Impacto das Incertezas................... 66 4.2.1 A Origem das Incertezas..................... 67 4.3 Estimativa do Atraso das Rotas..................... 70 4.3.1 A Necessidade da Estimativa.................. 70 4.3.2 Premissas para a Estimativa................... 72 4.3.3 Denição da Estimativa..................... 72 4.3.4 Análise das Variáveis Aleatórias................. 74 4.4 Conclusão................................. 77 5 PROST 79 5.1 Terminologia............................... 79 5.1.1 Identicador (ID)......................... 79 5.1.2 Estados de Operação....................... 80 5.1.3 Processos Operacionais...................... 80 5.1.4 Profundidade dos Nós...................... 81 5.1.5 Identicador do Nó Pai...................... 81 5.1.6 Atraso Requerido......................... 81 5.1.7 Atraso Acumulado........................ 82

5.1.8 Tempo Decorrido......................... 82 5.1.9 Tabela de Vizinhos........................ 82 5.2 Formato dos Pacotes........................... 83 5.2.1 Pacote de Descoberta de Rotas................. 84 5.2.2 Pacote de Sincronização..................... 84 5.2.3 Pacote de Carona......................... 85 5.2.4 Pacote de Atualização de Vizinhos............... 86 5.3 Tabela de Vizinhos............................ 87 5.4 Temporizadores.............................. 88 5.5 Estados de Operação........................... 89 5.5.1 Inativo............................... 89 5.5.2 Transitório............................. 90 5.5.3 Restrito.............................. 90 5.5.4 Ativo................................ 90 5.6 Processos Operacionais.......................... 91 5.6.1 Descoberta de Rotas....................... 92 5.6.2 Monitoramento de Rotas..................... 97 5.6.3 Manutenção de Rotas....................... 100 5.7 Conclusão................................. 102 6 Simulações e Resultados 103 6.1 Modelagem e Denição dos Cenários.................. 103 6.2 Caracterização da Simulação....................... 105 6.3 Independência de Tempo Entre os Nós................. 107 6.4 Métricas Analisadas............................ 108 6.4.1 Densidade............................. 109 6.4.2 Mobilidade............................ 115 6.4.3 Congestionamento........................ 121 6.4.4 Tempo Real............................ 125 6.5 Conclusão................................. 130 7 Conclusões e Trabalhos Futuros 131 7.1 Conclusões................................. 131 7.2 Contribuições............................... 132 7.3 Trabalhos Futuros............................. 133 Referências Bibliográcas 134

Lista de Figuras 3.1 Sistemas embarcados de tempo real................... 42 3.2 Sistemas embarcados distribuídos de tempo real............ 44 3.3 Round-Trip Time............................. 49 3.4 Fontes de atraso.............................. 52 3.5 Diferença entre skew e drift....................... 54 3.6 Momento da sincronização de tempo.................. 55 3.7 Troca de mensagens na técnica emissor-receptor............ 62 3.8 Troca de mensagens na técnica receptor-receptor............ 63 3.9 Troca de mensagens na técnica de tempo decorrido.......... 63 4.1 Fontes de Atraso por Camada...................... 67 4.2 Zona de Timestamp............................ 69 4.3 Tamanho Uniforme de Pacotes...................... 70 4.4 Round-Trip Time............................. 71 4.5 Função Densidade de Probabilidade................... 75 4.6 Função Distribuição Acumulada..................... 76 4.7 Erro Quadrático Médio.......................... 77 5.1 Pacote de Descoberta de Rotas..................... 84 5.2 Pacote de Sincronização......................... 85 5.3 Pacote de Carona............................. 86 5.4 Pacote de Atualização de Vizinhos................... 87 5.5 Diagrama de estados do PROST..................... 91 5.6 Processo de Descoberta de Rotas do PROST.............. 92 5.7 Processo de Monitoramento de Rotas do PROST........... 97 5.8 Processo de Manutenção de Rotas do PROST............. 100 6.1 Impacto do Número de Nós (Densidade)................ 109 6.2 Consumo de Energia x Densidade (PROST).............. 112 13

6.3 Consumo de Energia x Densidade (AODV)............... 113 6.4 Consumo de Energia x Densidade (SWIFT).............. 115 6.5 Consumo de Energia x Densidade (RTLD)............... 115 6.6 Impacto do Tempo de Pausa (Mobilidade)............... 116 6.7 Consumo de Energia x Mobilidade (PROST).............. 119 6.8 Consumo de Energia x Mobilidade (AODV).............. 119 6.9 Consumo de Energia x Mobilidade (SWIFT).............. 120 6.10 Consumo de Energia x Mobilidade (RTLD)............... 120 6.11 Impacto do Intervalo de Envios (Congestionamento).......... 121 6.12 Consumo de Energia x Congestionamento (PROST).......... 123 6.13 Consumo de Energia x Congestionamento (SWIFT).......... 124 6.14 Consumo de Energia x Congestionamento (AODV).......... 124 6.15 Consumo de Energia x Congestionamento (RTLD)........... 124 6.16 Impacto do Prazo de Entrega (Restrições de Tempo Real)...... 126 6.17 Consumo de Energia x Tempo Real (PROST)............. 128 6.18 Consumo de Energia x Tempo Real (SWIFT)............. 129 6.19 Consumo de Energia x Tempo Real (AODV).............. 129 6.20 Consumo de Energia x Tempo Real (RTLD).............. 129

Lista de Tabelas 2.1 Modos de dissipação de energia dos sensores.............. 30 3.1 Sumário das fontes de atraso....................... 52 5.1 Tabela de Vizinhos............................ 87 6.1 Parâmetros de simulação do PROST no NS-2.33............ 106 15

Lista de Algoritmos 5.1 Inicialização dos Nós............................ 92 5.2 Algoritmo de Criação de Hierarquia................... 93 5.3 Algoritmo de Sincronização de Tempo.................. 94 5.4 Algoritmo de Revalidação de Rotas.................... 96 5.5 Algoritmo de Monitoramento de Rotas.................. 98 5.6 Algoritmo de Validação de Rotas..................... 101 16

Lista de Abreviaturas e Siglas ABS ANTS AODV AODV-D CBR CDF DARPA DRE DSDV DSR EDF E-RBS FTP FTSP GPS IEEE IP LEACH LTS MAC MEMS MSE NASA NTP OSI PAM PDA PDF Anti-lock Braking System Autonomic NanoTechnology Swarm Ad hoc On Demand Distance Vector Ad hoc On Demand Distance Vector Delay Sensitive Constant Bit Rate Cumulative Distribution Function Defense Advanced Research Projects Agency Distributed Real-time and Embedded Systems Destination Sequenced Distance-Vector Dynamic Source Routing Empirical Distribution Function Enhanced-Reference Broadcast Synchronization File Transfer Protocol Flooding Time Synchronization Protocol Global Positioning System Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Protocol Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Lightweight Time Synchronization Medium Access Control Micro Electromecanical Systems Mean Square Error National Aeronautics and Space Administration Network Time Protocol Open System Interconnection Prospecting Asteroid Mission Personal Digital Assistant Probability Density Function

P2P PROST QoS RTLD RBS RIP RITS RSSF RTE RTT SRTT TCP TPSN UTC WINA Peer-to-Peer Protocolo de ROteamento Sensível ao Tempo Quality of Service Real-Time Load Distribution Reference Broadcast Synchronization Reference Interpolation Protocol Routing Integrated Time Synchronization Redes de Sensores Sem Fio Real Time and Embedded Systems Round-Trip Time Smooth Round-Trip Time Transmission Control Protocol Timing-sync Protocol for Sensor Networks Coordinated Universal Time Wireless Industrial Network Alliance PROST 18

Capítulo 1 Introdução Esta dissertação apresenta o PROST, um protocolo de roteamento sensível ao tempo para Redes de Sensores Sem Fio (RSSF), que permite a comunicação entre os nós sensores de acordo com restrições de tempo real, principalmente em ambientes desaadores, onde fatores como a mobilidade e as altas taxas de transmissão não podem ser desconsiderados. Na Seção 1.1 é apresentada a contextualização deste trabalho com relação aos problemas que buscamos solucionar. Na Seção 1.2 discutimos a motivação que impulsionou o desenvolvimento desta pesquisa. Em seguida, na Seção 1.3, são expostos os principais objetivos a serem alcançados com este trabalho, sendo a metodologia discutida na Seção 1.4. Por m, na Seção 1.5 é apresentada a estrutura dos capítulos na qual esta dissertação está organizada. 1.1 Contexto Os avanços nas pesquisas em RSSF têm permitido a sua utilização para os mais diversos ns. Missões espaciais não tripuladas, explorações subaquáticas e interplanetárias são exemplos de ambientes críticos e perigosos que podem se beneciar com a utilização de RSSF. As aplicações para estes ambientes compartilham da necessidade de operação sem intervenção humana, tanto por serem ambientes inacessíveis para o homem, quanto pelo dinamismo imposto por sua própria natureza. Esta eminente necessidade de autonomia e eciência no cumprimento de suas tarefas sob diferentes condições do ambiente, insere novos desaos a serem considerados pelas RSSF. Além das tradicionais limitações físicas que os sensores possuem, a utilização de RSSF como uma fonte coletora de dados para ambientes desaadores requer a 19

1.2. MOTIVAÇÃO capacidade de suporte à observação em tempo real do ambiente monitorado, considerando as imprevisibilidades da rede com relação tanto à mobilidade quanto à quantidade de nós e dados coletados. As RSSF, com estas características, podem ser consideradas uma especialização dos sistemas embarcados distribuídos de tempo real (DRE Distributed Real-time and Embedded Systems), que são sistemas onde o sucesso depende não apenas do signicado de um resultado, mas também do tempo levado para a sua produção [Bernat et al. 2001]. Para este paradigma, torna-se imprescindível que os dados coletados pelos sensores sejam precisos e coerentes com as atuais condições do ambiente. Dados desatualizados causariam incompatibilidades entre a observação do ambiente monitorado e sua real condição. A inuência que a mobilidade dos nós e a quantidade de dados trafegados insere na variação do atraso nas leituras em RSSF, proveniente das perdas de rotas, da constante modicação da topologia da rede e do alto congestionamento do meio sem o, faz com que a tarefa de monitoramento em tempo real das condições do ambiente seja cada vez mais difícil de ser realizada. O erro na identicação dos valores do atraso das rotas e o consumo de energia despendido para a manutenção do atraso destas rotas são os fatores mais afetados por esses desaos. 1.2 Motivação Na literatura cientíca são encontrados diversos trabalhos que propõem soluções para os problemas citados na Seção 1.1. No entanto, não é comum encontrar uma solução que tenha como objetivo tratar estes problemas de forma conjunta. Com o objetivo de proporcionar comunicação em tempo real para as RSSF, destacam-se na literatura diversas soluções, que atuam em diferentes níveis [Srivathsan and Iyengar 2007]. Para reduzir o congestionamento decorrente da sobreposição de sinais durante a transmissão sem o, em [Choudhury et al. 2006] é proposto o uso de antenas direcionais, possibilitando o uso simultâneo do meio e diminuindo o atraso na comunicação. Protocolos de acesso ao meio com o intuito de reduzir o tempo de atraso m a m também já foram propostos, como é o caso do protocolo Q-MAC [Vasanthi and Annadurai 2006] e LEEM [Dhanaraj et al. 2005]. Uma solução projetada para operar tanto na camada de enlace quanto na de rede pode ser vista no protocolo RAP [Lu et al. 2002]. Ele utiliza um algoritmo de prioridade na camada MAC para os quadros, de acordo com o atraso requerido para PROST 20

1.2. MOTIVAÇÃO sua entrega ao destino, e roteamento baseado na localização dos nós e do tempo que os pacotes levam para percorrer a distância até o destino. O protocolo SPEED [He et al. 2003] também utiliza como parâmetro para o roteamento de seus pacotes o atraso a eles requerido e a distância entre os nós das rotas e seu destino. Sua principal característica é a manutenção uniforme da velocidade na entrega de pacotes através da rede. Outro protocolo existente, o RPAR [Chipara et al. 2006], reduz o atraso na entrega dos pacotes por meio do aumento da potência de transmissão dos nós, reduzindo o número de transmissões por múltiplos saltos. O RPAR diminui a potência de transmissão quando o tempo limite na entrega do pacote é maior, balanceando o consumo de energia com relação à urgência na entrega dos dados. Já o protocolo RTLD [Ahmed and Fisal 2008] efetua o balanceamento entre as necessidades de restrições de tempo para a entrega dos pacotes, evitando o congestionamento das rotas e prolongando o tempo de vida da rede. Para isso, são utilizadas informações sobre a qualidade do sinal, obtidas da camada física, e sobre a distância entre os nós sensores. A principal preocupação dos trabalhos citados anteriormente, que tratam da validade temporal dos dados coletados pelos sensores, é garantir a sua entrega ao destino atendendo às restrições de tempo requeridas pela aplicação [Srivathsan and Iyengar 2007]. Entretanto, um fator importante que estes não consideram é como garantir a entrega destes dados em um cenário com mobilidade? A mobilidade dos nós comporta-se como um fenômeno aleatório e difícil de ser tratado, que é simplesmente desconsiderado pela maioria dos trabalhos existentes. Ela é um fator inerente para várias aplicações de RSSF, bem como qualquer outro sistema de comunicação ad hoc e deve ser considerada como crucial para a manutenção na entrega dos dados de acordo com o atraso requerido. Alguns protocolos para redes ad hoc bastante conhecidos já tratam o problema de rotas perdidas devido à mobilidade dos nós, efetuando a reparação destas rotas quando sua perda for detectada. Como é o caso do DSDV (Destination Sequenced Distance-Vector) [Perkins and Bhagwat 1994], AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) [Perkins and Royer 1999] e DSR (Dynamic Source Routing) [Johnson and Maltz 1996]. Entretanto, estes protocolos não se preocupam com o consumo de energia, já que seu propósito não são as RSSF. Em [Kumar et al. 2006] é proposta uma extensão ao protocolo AODV com o intuito de prover suporte a qualidade de serviço de tempo para as aplicações ad hoc, denominado AODV-D (Ad hoc On Demand Distance Vector Delay Sensitive ). PROST 21

1.3. OBJETIVOS Este protocolo considera o atraso das rotas para a comunicação em redes ad hoc como uma métrica importante na escolha das rotas, não apenas o número de saltos. O protocolo SWIFT [Kim et al. 2007] trata da questão da mobilidade dos nós em ambientes desaadores, preocupando-se com suas restrições de energia, porém, não se preocupa com as restrições de tempo para a entrega dos dados coletados. Diversos outros protocolos que lidam especicamente com o consumo de energia podem ser encontrados na literatura. Como é o caso do LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) que utiliza um processo de distribuição da carga de transmissão dos sensores como uma forma de economizar e unicar o consumo de energia dos nós sensores [Heinzelman et al. 2000]. Em [Boughanmi and Song 2007] é proposta uma métrica de roteamento que leva em consideração tanto o consumo de energia quanto o atraso requerido para a transmissão dos dados. No entanto, a questão da mobilidade não é tratada, restringindo a viabilidade dessa proposta apenas para ambientes compostos por sensores estáticos. Nesta dissertação, é proposta a solução para os principais desaos identicados para as RSSF aplicadas aos ambientes críticos e perigosos, de forma conjunta. Estes desaos são as limitações dos nós sensores, a necessidade de observação em tempo real do ambiente monitorado e de lidar com as imprevisibilidades da rede, como a mobilidade dos nós e a variação na quantidade de dados trafegados. O suporte à leitura dos dados em tempo real e o tratamento da mobilidade dos nós, são considerados fatores com mesma relevância para a operação das RSSF, juntamente com a preocupação na economia da energia dos nós. 1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo Geral O objetivo deste trabalho é propor o PROST (Protocolo de Roteamento Sensível ao Tempo), que tem como principal foco permitir que as RSSF possam ser utilizadas para o monitoramento de ambientes desaadores, nos quais haja a necessidade de leitura de dados conforme restrições de tempo real, mesmo sob condições críticas de operação. Questões de otimização dos processos envolvendo o roteamento dos dados, com o intuito de economizar a energia gasta nesta tarefa, também são consideradas, em conjunto com o suporte à mobilidade dos nós sensores. PROST 22

1.4. METODOLOGIA 1.3.2 Objetivos Especícos Para atingir o objetivo deste trabalho, as seguintes atividades especícas devem ser alcançadas: denição de uma estratégia de economia de energia para a sincronização dos relógios dos nós sensores; denição de uma estratégia de estimativa do atraso entre vizinhos dos nós sensores; e descrição de um protocolo de roteamento para RSSF com suporte a restrições de tempo real não críticas e tolerante à mobilidade dos nós. 1.4 Metodologia A metodologia cientíca utilizada nesta dissertação pode ser resumida nos itens a seguir: Revisão Bibliográca Inicialmente foi efetuada uma revisão bibliográca sobre os principais conceitos e desaos das RSSF e sobre os principais protocolos de roteamento e sincronização de tempo para estas redes. As necessidades de comunicação em tempo real e de economia de energia para RSSF também foram estudadas neste levantamento bibliográco. Estratégias para Otimização de Processos e Estimativa de Atraso Em seguida foram denidas as estratégias para otimização dos processos a serem utilizados no protocolo proposto neste trabalho. Do ponto de vista da economia de energia dos nós sensores, os processos de sincronização dos relógios dos nós sensores e de manutenção das rotas foram simplicados e otimizados. Também foi denida a estratégia de estimativa do atraso das rotas entre os nós e seus vizinhos, levando em consideração as limitações físicas existentes para os nós sensores. Denição do Protocolo de Roteamento Nesta etapa foi especicado o protocolo de roteamento PROST. Para isso, foram denidos os estados e os processos de operação dos nós sensores, a PROST 23

1.5. ESTRUTURA DO DOCUMENTO relação entre eles e os algoritmos que coordenam a execução das tarefas dos sensores para cada momento e condições da rede. Os formatos dos pacotes de controle e da tabela de vizinhos dos nós, juntamente com os temporizadores utilizados pelo protocolo também foram denidos nesta fase. Simulação e Análise dos Resultados Por m, para efeitos de vericação e análise da proposta, o protocolo PROST foi implementado e avaliado. Foram efetuadas simulações de sua implementação em ambiente computacional com características similares às encontradas em cenários reais. Em seguida, foi efetuada a análise e comparação do comportamento do protocolo com relação a outras soluções semelhantes existentes na literatura. 1.5 Estrutura do Documento Esta dissertação está organizada conforme os seguintes capítulos: Capítulo 2 No Capítulo 2 são apresentadas as principais características das Redes de Sensores Sem Fio, enfatizando as origens que motivaram seu desenvolvimento e os conceitos utilizados nesta dissertação. Também são apresentadas algumas aplicações das redes de sensores em diferentes ambientes e condições de operação. Capítulo 3 No Capítulo 3 são apresentadas as principais características dos sistemas de tempo real, enfatizando as diculdades existentes nas comunicações com restrições de tempo real e abordando as necessidades e desaos encontrados pelos sistemas de tempo real quando aplicados às RSSF. Capítulo 4 No Capítulo 4 são apresentados os mecanismos denidos nesta dissertação, com o intuito de economizar a energia dos nós, por meio da otimização da realização de suas tarefas e de boas práticas para a redução de imprevisibilidades durante as comunicações sem o. PROST 24

1.5. ESTRUTURA DO DOCUMENTO Capítulo 5 No Capítulo 5 é apresentado o protocolo PROST, um protocolo de roteamento sensível ao tempo para RSSF, que possui como principal característica o suporte à mobilidade dos nós sensores, permitindo a entrega dos dados coletados ao seu destino de acordo com restrições de tempo, mesmo após mudanças na topologia da rede. Capítulo 6 No Capítulo 6 são apresentados os resultados de simulações do protocolo PROST, sendo discutidas sua análise e comparação com os resultados obtidos das simulações de outros protocolos relacionados. Capítulo 7 E, por m, no Capítulo 7 são apresentadas as conclusões sobre esta dissertação, sendo discutidos os resultados alcançados com a utilização do protocolo PROST para RSSF atuando em ambientes desaadores e possíveis perspectivas para trabalhos futuros decorrentes desta pesquisa. PROST 25