1/55 R-MAC: Protocolo de Acesso ao Meio para Consumo Eficiente de Energia em Redes de Sensores Sem...

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R-MAC: Protocolo de Acessoao Meio para ConsumoEficiente de Energia emRedes de Sensores Sem Fio.

Guilherme Frederico RohdeMestrandogrohde@inf.pucrs.br

Eduardo Augusto BezerraProfessor Orientadoreduardob@inf.pucrs.br

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Tópicos

• Introdução

• Conceitos Básicos

• Trabalhos Relacionados

• Proposta de Protocolo R-MAC

• Validação e Análise dos Resultados

• Conclusões

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Introdução – Aplicações

• Monitoramento Ambiental;• Monitoramento de estruturas em

construções (Pontes, Vigas);• Monitoramento de tráfego;• Sistemas de vigilância e segurança;• Computação Pervasiva (casas inteligentes);• Máquinas e Equipamentos (Prensas).

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Introdução – Aplicações

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Introdução – Aplicações

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Introdução – Estrutura da Rede

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Arquitetura de um nodo

Do

mín

io d

o S

enso

riamen

to

Domínio da Alimentação

Domínio do Processamento

Domínio da Comunicação

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Introdução

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Conceitos BásicosCamada de Protocolo em RSSF

MAC

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Conceitos Básicos

• Técnicas de Acesso– FDMA – Frequency Division Multiple Access– TDMA – Time Division Multiple Access– CDMA – Code Division Multiple Access– CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access

with Collision Avoidance

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• FDMA – Frequency Division Multiple Access

Conceitos Básicos

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• TDMA – Time Division Multiple Access

Conceitos Básicos

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• CDMA – Code Division Multiple Access

Conceitos Básicos

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• CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

Conceitos Básicos

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• Período Listen/Sleep

Conceitos Básicos

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• Sincronização

Conceitos Básicos

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• Sincronização

Conceitos Básicos

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• Problema do terminal escondido

Conceitos Básicos

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Conceitos Básicos

• Problema da estação exposta

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Trabalhos RelacionadosProtocolo Características Vantagem Desvantagem

S-MAC [1] Ciclo de operação reduzido.Prolonga consideravelmente o tempo de vida da rede.

Aumento da latência devido ao período sleep.

T-MAC [2]

Ciclo de operação reduzido, com incremento de um temporizado que permite encerrar o ciclo listen mais cedo.

Consegue um consumo mais eficiente que o S-MAC, devido ao incremento do temporizado.

É extremamente limitado com relação à largura de banda da rede.

DE-MAC [3]

Ciclo de operação reduzido, utiliza um algoritmo distribuído para balanceamento da carga na rede

O balanceamento de carga serve para obter um tempo de vida uniforme para todos os nodos da RSSF

O algoritmo de balanceamento pode comprometer no caso de uma rede dirigida a eventos. Alta taxa de mensagens de controle.

ARC [4]Provê fairness adaptando a taxa de transmissão do tráfego.

Provê fairness e mantém uma razoável largura de banda adaptando a taxa de transmissão.

Não é eficiente para redes com um tráfego alto.

TRAMA [5]

Utiliza um algoritmo de eleição distribuído para evitar colisões em comunicações unicast, broadcast ou multicast, alterna acessos aleatórios e escalonados.

Acomoda mudanças de topologia da rede, adição de nodos a rede e tolerância a falhas.

Devido seu algoritmo de eleição há uma grande troca de informações na rede, desfavorecendo a economia de energia.

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Proposta de Protocolo R-MAC

• Visão Geral– DCF Distributed Coordination Function– Interframes e Janela de contenção– Pacotes de controle com tamanho reduzido– Ciclo reduzido de operação– Limite inferior de energia de transmissão para

sem conectar na RSSF.– Lista de vizinhos– Ajuste da energia de transmissão

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Proposta de Protocolo R-MAC

Máquina de

estados da

camada

Física

1 0 1 1 1 0 0 1

• Registradores de configuração

1 0 0 1 0 0 1 1

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Proposta de Protocolo R-MAC

Máquina de

estados da

camada de

Enlace

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Proposta de Protocolo R-MAC

• Envio de mensagem

• Recebimento de mensagem

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Proposta de Protocolo R-MAC• Recebimento de mensagem

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• Funcionalidades do R-MAC– Auto-gerência

• Função SN• Energia de Transmissão

– Comunicação• Interframes Space• Janela de contenção• Detecção de Erros

– Economia de Energia • Listen/Sleep• Função CNO

Proposta de Protocolo R-MAC

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B SN

SN

SNJ

SN

SN

SN

F ADD[B,J]

ADD[B, J]

ADD[B,J]

B, J

D ADD[J, F]

ADD[J, F]

ADD[J, F]

F, JC ADD[B, F]

ADD[B, F]

ADD[B, F]

B, F, D

ADD[B,J,D,C]

ADD[B,J,D,C]

ADD[B,J,D,C]

B, F, D,C

ADD[F,C]

ADD[F,C]

ADD[F,C]

F,C

ADD[F,D]

ADD[F,D]

ADD[F,D]

F,D

A SN

SN

SN

SN

SN

SN

SN

SN

SN

Função SN – Lista de Vizinhos

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BF

B, J

CB, F, D

B, F, D,C

F,C

J

DF, JC

B, F, D

B, F, D,C

F,D

A RET RET RET RET RET RET

RETr

RETr

RETr

RETr

RET

ADD[F,C,A]

ADD[F,C,A]

ADD[F,C,A]

ADD[B]

ADD[B]

ADD[B]

B

F,C,A

Função energia de transmissão Na formação da rede

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RET – para traçar novos caminhos.

• Identifica sub-rede

• Recebe comandos da camada superior

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A

F

D

M

K

A

D

F

K

M

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Função Controlador de nodos ouvintes - CNO

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D

A B RTS RTS RTS RTS CTS CTS CTS CTS

C

D

E

Frame Frame

Frame Frame ACK ACK ACK ACK

CE

D

F G

H

Função Controlador de nodos ouvintes - CNO

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• DIFS (DCF interframe space): é o tempo mínimo que serviços Contention-

based devem esperar para ocupar o meio.

• SIFS (Short interframe Space) : é um período curto de tempo em que

apenas transmissões de alta prioridade, tal como frames RTS/CTS e ACK,

podem transmitir.

InterFrame Spacing e Janela de contenção

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• Feita somente em mensagens unicast;

• Quando a estação retransmitir o pacote o contador retry é incrementado;

• Quando retry alcança um limite determinado o frame é descartado.– O retry é zerado quando:

• Um frame CTS é recebido em resposta a um RTS.• Um frame broadcast ou multicast é recebido.• A camada de Enlace reconhece que o pacote deve ser descartado

Detecção de erros

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Formato dos Frames

Preâmbulo R-MAC header PLCP CRC

Synch SFD

8 bits 8 bits

10 10 10 10 11 10 00 11

• Synch - identifica o início de uma mensagem

• SFD - sinalizam o início do delimiter

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Formato dos Frames

Preâmbulo R-MAC header PLCP CRC

PLW PSF

12 bits4 bits

PSF - Taxa de recebimento do pacote.

• PLW - PCLP Length Word (PLW) número de Bytes a partir de Delimiter (0-4095)

• PSF- PCLP Signaling Field (PSF) taxa de recebimento do pacote.

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Formato dos Frames

Preâmbulo R-MAC header PLCP CRC

Frame

ControlAddress 1

1 byte 6 bytes

• Frame Control – informações para interpretar a seqüência do campo MAC header

• Address - endereços de 48 bits

• Frame Body – pacote de dados

Address 2

6 bytes

Address 3

6 bytes

Address 4

6 bytes

Frame

Body0 - 3867 bytes

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Formato dos Frames

Type

Frame

ControlAddress 1 Address 2 Address 3 Address 4

Frame

Body

3 bits 1 bits

To From Retry CNO

1 bits 1 bits 2 bits• Type – Identifica o tipo de mensagem

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Formato dos Frames

Type

Frame

ControlAddress 1 Address 2 Address 3 Address 4

Frame

Body

3 bits 1 bits

To From Retry CNO

1 bits 1 bits 2 bits

Destination Address (DA) Source Address (SA)

Receiver Address (RA) Transmitter ddress (TA)

Basic Service Set ID (BSSID)

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Formato dos Frames

Type

Frame

ControlAddress 1 Address 2 Address 3 Address 4

Frame

Body

3 bits 1 bits

To From Retry CNO

1 bits 1 bits 2 bits

• Retry – Identifica se o pacote foi enviado pela primeira vez ou se foi retransmitido

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Formato dos Frames

Type

Frame

ControlAddress 1 Address 2 Address 3 Address 4

Frame

Body

3 bits 1 bits

To From Retry CNO

1 bits 1 bits 2 bits

• CNO – Apresenta o contador CNO da função Contador de Nodos Ouvintes

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Validação e Análise dos Resultados

• Cenário– RSSF dirigida a eventos;– Nodos com Módulo RF “CC1100”;– Freqüência 915MHz;– Energia de transmissão -10dBm;– Taxa de transferência 38,4KHz.

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Validação e Análise dos ResultadosModelo de energia

Consumo do módulo RF CC1100

915MHz, -10dBm. Tensão base 3V

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Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta

Frações que o nodo fica no estado ocioso com a taxa de 38,4Kbps:

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A B

RTS CTSFrameACK

A

B

Estado Ocioso

Estado TX

Estado RX

Frações de tempo dos nodos receptor e emissor em cada estado:

Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta

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Tempo de transmissão do quadro completo Tqc :

Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta

Valores de tDados para diferentes tamanhos de pacotes:

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Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta

Fração de tempo dos nodos pelo tamanho dos pacotes:

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Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta

Pm de consumo do nodo emissor :

Pm de consumo do nodo Receptor :

Cálculo da potência média consumida:

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Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta

Pm de consumo do nodo emissor :

Pm de consumo do nodo Receptor :

Cálculo da potência média consumida

com ciclo de operação reduzido:

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Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta

Cálculo do tempo de vida média:

Cálculo do Tv sem o ciclo reduzido:

Cálculo do Tv com o ciclo reduzido em 10%:

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Validação e Análise dos ResultadosEnergia nos Nodos Ouvintes

O

E R

OO

ER

E R

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Validação e Análise dos ResultadosEnergia nos Nodos Ouvintes

Potência média para o nodo ouvinte OER sem CNO:

Potência média para o nodo ouvinte OR sem CNO:

Potência média para o nodo ouvinte OE sem CNO:

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Validação e Análise dos ResultadosEnergia nos Nodos Ouvintes

Potência média para o nodo ouvinte OER com CNO:

Potência média para o nodo ouvinte OR com CNO:

Potência média para o nodo ouvinte OE com CNO:

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Validação e Análise dos ResultadosEnergia nos Nodos Ouvintes

Potência média para os nodos ouvinte durante a comunicação:

Sem CNO Com CNO

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Conclusões

• Aumento do tempo de operação da RSSF:– Controlador de nodos ouvintes (CNO)– Ciclo reduzido de operação Liste/Sleep

• Aumento do tempo de operação do Nodo na RSSF– Ajuste da energia de transmissão RET

• Facilidades para os protocolos das camadas superiores.

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