Wireless Sensor Networks: a survey A Survey on ... - UFFcelio/classes/cmovel/12_1/apresentacoes/sensores... · Wireless Sensor Networks: a survey & A Survey on Sensor Networks I

Wireless Sensor Networks: a survey

&A Survey on Sensor Networks

I. F. Akyildiz, W. Su,Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci

Gustavo Zanatta [email protected] Rogério S. S. [email protected]

Disciplina:Computação Móvel

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

IntroduçãoSensores podem ser implantados de duas maneiras:● posicionados longe do fenômeno real

"aleatoriamente"● disposição e topologia são cuidadosamente

projetadosRedes de Sensores Sem Fio (RSSF) são densamente implantadas:● no interior de um fenômeno● próximo a um fenômeno

IntroduçãoPrincipais 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

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

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.

Aplicações: MilitaresExemplos 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

Aplicações: Militares

Aplicações: AmbientaisExemplos:● Monitoramento da Terra ● Exploração planetária● Detecção de incêndios florestais● Mapeamento da biocomplexidade do

ambiente● Detecção de inundação● Agricultura de precisão

Aplicações: Ambientais




Aplicações: Saúde● Telemonitorização de dados fisiológicos

humanos● Rastreamento e monitoramento de médicos

e pacientes● Administração de medicamentos

Aplicações: Saúde

Aplicações: DomésticasExemplos: ● Automação doméstica ● Ambiente inteligente

Aplicações: Domésticas

Aplicações: ComerciaisExemplos:● Controle ambiental em edifícios de

escritórios● Museus interativos● Detectar e monitorar roubos de automóveis● Gerenciando o controle de estoque● Monitoramento e detecção de veículos

● 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

Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Tolerância a falhas

● 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

Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Escalabilidade

● Custo ser inferior a US$ 1 para a rede de

sensores para ser viável

Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Custos US$

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.


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

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.

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,

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.

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

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

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.

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.

Arquitetura de comunicação: Pilha de Protocolos

Arquitetura de comunicação: Camada Física● Responsável por:

○ Seleção de frequência○ Geração de frequência○ Detecção de sinal○ Modulação○ Criptografia dos dados

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

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

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

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

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

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.


○ 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.


○ 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.


○ 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.

Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace

Protocolo MAC Modo de Acesso ao Canal

Características Especiais

Conservação energética

SMACS e EARAlocação 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.

Usa métodos adaptativos para controle de taxa de transmissão.

Tempo de escuta constante para eficiência

energética.

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)

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

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

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

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


○ 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


○ 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


○ 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


○ 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)

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

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

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

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

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

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