Cooperação e Codificação de Rede Aplicadas as RSSF Industriais

IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio

Redes IndustriaisCodificação de Rede com Cooperação

Cooperação e Codificação de Rede Aplicadasas RSSF Industriais

Odilson T. [email protected]

Universiade Federealde Santa Catarina

IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 1 / 27



Sumário

1 Introdução

2 Redes de Sensores Sem FioConceitosIEEE 802.15.4

3 Redes IndustriaisEspecificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

4 Codificação de Rede com CooperaçãoCooperaçãoCodificação de Rede




O Futuro

RedesFuturas

Serviços Cientesdo Contexto

Domínio das Redesde Sensores Sem Fio

Futuro da Internet(fixa e móvel)

IWSN

VANETs BAN

BWSN




Áreas Envolvidas Nesta Apresentação




ConceitosIEEE 802.15.4

Formação da Rede


Fonte: Loureiro 2003




RSSF – A Origem

Confiabilidade – ConceitoA ideia intuitiva de confiabilidade de redes pode ser entendida comoa probabilidade de uma rede continuar funcionando mesmo naocorrência de falhas nos enlaces e/ou nodos

Nodos não são confiáveis, podem“morrer” por exaustão de energiaSensores não são exatos: medidas dasgrandezas não são precisasComunicação sem fio não é confiável (?)A rede DEVE ser confiável! Como?


Rede Autônoma com alto grau de cooperação na execução detarefas: auto-configuração, auto-cura, fusão de dados . . .





RSSF – A Origem









RSSF – A Origem









Aumentando a confiabilidade

Técnicas tradicionais para aumentar a confiabilidade na trocade pacotes, seja em redes cabeadas seja em redes sem fio:

CRC – Cyclic Redundancy Check – Descarta pacotes comindícios de erroFEC – Forward Error Correction – Envia bits redundantespara recuperar até certo nível de erros nos pacotesARQ – Automatic Repeat reQuest – Reencaminhapacotes não ou incorretamente recebidos

As técnicas podem ser complementares, dependendo do graude confiabilidade exigido pela aplicação





Modelo de um nodo

Sistemas Embarcados:SOAplicaçãoProtocolos de comunicação

Cuidado com consumo energéticoRoteamento: múltiplos saltos⇒ sinkConfiabilidade (?)





Modelo de um nodo

Sistemas Embarcados:SOAplicação

Protocolos de comunicaçãoCuidado com consumo energéticoRoteamento: múltiplos saltos⇒ sinkConfiabilidade (?)





Modelo de um nodo







Modelo de um nodo







IEEE 802.15.4

Padrão IEEE 802.15.4Camada física e de controle de acesso ao meio para redes sem fiopessoais com baixas taxas de transmissão (LR-WPANs)

Camada Física:Frequências(MHz)/canais: 868/0, 915/1-10, 2450/11-26Taxa de transferência: 20, 40, 100 e 250 kbps

IEEE 802.11

IEEE 802.15.4





IEEE 802.15.4

Padrão IEEE 802.15.4Camada física e de controle de acesso ao meio para redes sem fiopessoais com baixas taxas de transmissão (LR-WPANs)

Camada Física:Frequências(MHz)/canais: 868/0, 915/1-10, 2450/11-26Taxa de transferência: 20, 40, 100 e 250 kbps

IEEE 802.11

IEEE 802.15.4


Fonte:

Bertocco2008




MAC IEEE 802.15.4

Sem Beacon : CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Avoidance)Com Beacon:

151413121110987654321

CAP CFP

0

Beacon Beacon

Inativo

SD = aBaseSuperframeDuration x 2 SímbolosSO

BI = aBaseSuperframeDuration x 2 SímbolosBO

GTS GTS

Ativo

0 ≤ SO ≤ BO ≤ 14

15,36ms ≤ SuperframeDuration ≤ 4,2min





Exemplos de Superquadros

BO SO BI SD Compartimento(ms) (ms) (ms) (bytes)

0 0 15,36 15,36 0,96 30

1 0 30,72 15,36 0,96 30

8 8 3932,16 3932,16 245,76 7680

14 0 251658,24 15,36 0,96 30

14 14 251658,24 251658,24 15728,64 491520




Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem

Compartilhamento de recursosHeterogeneidadeGarantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real)

Confiabilidade dos equipamentos e da informação(exatidão nos dados)Conectividade e interoperabilidadeEvolutividade e flexibilidadeNetwork Control System – NCSMonitoramento – Predictive Maintenance (PdM)Redes Fieldbus

HARTISA. . .

Redes Sem Fio?







Confiabilidade dos equipamentos e da informação(exatidão nos dados)Conectividade e interoperabilidadeEvolutividade e flexibilidade

Network Control System – NCSMonitoramento – Predictive Maintenance (PdM)Redes Fieldbus

HARTISA. . .

Redes Sem Fio?







Confiabilidade dos equipamentos e da informação(exatidão nos dados)Conectividade e interoperabilidadeEvolutividade e flexibilidadeNetwork Control System – NCSMonitoramento – Predictive Maintenance (PdM)

Redes FieldbusHARTISA. . .

Redes Sem Fio?








HARTISA. . .

Redes Sem Fio?








HARTISA. . .

Redes Sem Fio?IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 12 / 27




Redes Sem Fio na Industria

Transição

Coexistência de redes cabeadas e sem fio por vários anos

Problemas do meio sem fioDesvanecimentoPropagação por vários caminhosSombreamentoSegurança: captura de pacotes e/ou inserção de pacotesmaliciososInterferência, com mais intensidade na Industria:

SoldasMotores elétricosInversores de FrequênciaOutras redes sem fio . . .





Caracterização do ruído na industria

Para facilitar o desenvolvimento de novos protocolos faz-se usode simuladores e/ou ensaios em laboratórios. Para antever ocomportamento dos mesmo na industria deve-se ter ummodelo realista dos ruídos lá presentes.

Em rajadasModelo Gilbert–ElliottBER (CRC/FEC), PER (ARQ)Altamente dependente da distância entre comunicantes





Caracterização do ruído na industria

Para facilitar o desenvolvimento de novos protocolos faz-se usode simuladores e/ou ensaios em laboratórios. Para antever ocomportamento dos mesmo na industria deve-se ter ummodelo realista dos ruídos lá presentes.

Em rajadasModelo Gilbert–ElliottBER (CRC/FEC), PER (ARQ)Altamente dependente da distância entre comunicantes





RSSF Industriais

Mudança de paradigmaNodos devem ser confiáveisSensores devem ser exatosTempo Real

Periodicidade

PermaneceCuidado com consumo energéticoAlta densidade/empregabilidade⇒ nodos ainda sãobaratos quando comparados com tecnologia tradicional

RSSF IndustriaisWirelessHARTISA 100.11aIEEE 802.15.4/ZigBee – IEEE802.15.4e. . .





RSSF Industriais


PeriodicidadePermanece

Cuidado com consumo energéticoAlta densidade/empregabilidade⇒ nodos ainda sãobaratos quando comparados com tecnologia tradicional






RSSF Industriais


PeriodicidadePermanece

Cuidado com consumo energéticoAlta densidade/empregabilidade⇒ nodos ainda sãobaratos quando comparados com tecnologia tradicional






Classes de Uso - ISA

Categoria Classe Aplicação Descrição

Impo

rtân

cia

daat

ualid

ade

dam

ensa

gem

6Segurança 0 Ações emergenciais (sempre crítica)

<——

——

—–

Red

esS

emFi

o—

——

—–> 1 Circuito fechado

para controle regu-lamentar

(muitas vezes crítica)

Controle 2 Circuito fechadopara controle desupervisão

(geralmente não crítica)

3 Controle em malhaaberta

(humano na malha)

4 Alerta Consequências operacionais decurto prazo (por exemplo, a ma-nutenção baseada em eventos)

Monitoramento 5 Registro e downloa-ding/uploading

Sem consequências operacio-nais imediatas (por exemplo, co-leta de história, sequência deeventos, manutenção preventiva)




CooperaçãoCodificação de Rede

Cooperação em RSSFAs redes cooperativas, que visam a utilização dos dispositivosativos na rede como retransmissores obtendo desta formadiversidade semelhante à encontrada em dispositivos MIMO,são capazes de propiciar transmissões mais confiáveis, comredução dos efeitos de canal e melhoria em termos taxa deerro e throughput





Conceitos


Diversidade TemporalCada caminho em diferentes instantes de tempo tem diferentecomportamentoRetransmissão de mensagens em tempos distintos

Diversidade EspacialCada caminho percorrido por uma onda sofre diferentesatenuaçõesMIMO em RSSF é caroMúltiplos nodos fazem o papel de MIMO




Conceitos


Diversidade TemporalCada caminho em diferentes instantes de tempo tem diferentecomportamentoRetransmissão de mensagens em tempos distintos

Diversidade EspacialCada caminho percorrido por uma onda sofre diferentesatenuaçõesMIMO em RSSF é caroMúltiplos nodos fazem o papel de MIMO




Conceitos

Diversidade em Frequência – A propagação de sinaisem diferentes frequências experimenta diferenças emreflexão, difração e espalhamento (Salto de canal –WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e)

Diversidade por Multiusuário – O aumento global dataxa de transmissão do sistema cresce com o número deusuários e com ganho na variação do canalDiversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fiode múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptorpode ser conectado por meio de múltiplos percursos narede. As propriedades desses percursos variam dediversas maneiras, tais como: comprimento do salto,largura de banda, atraso total, atraso na fila etcTécnicas podem explorar várias diversidades





Conceitos

Diversidade em Frequência – A propagação de sinaisem diferentes frequências experimenta diferenças emreflexão, difração e espalhamento (Salto de canal –WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e)Diversidade por Multiusuário – O aumento global dataxa de transmissão do sistema cresce com o número deusuários e com ganho na variação do canal

Diversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fiode múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptorpode ser conectado por meio de múltiplos percursos narede. As propriedades desses percursos variam dediversas maneiras, tais como: comprimento do salto,largura de banda, atraso total, atraso na fila etcTécnicas podem explorar várias diversidades





Conceitos

Diversidade em Frequência – A propagação de sinaisem diferentes frequências experimenta diferenças emreflexão, difração e espalhamento (Salto de canal –WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e)Diversidade por Multiusuário – O aumento global dataxa de transmissão do sistema cresce com o número deusuários e com ganho na variação do canalDiversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fiode múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptorpode ser conectado por meio de múltiplos percursos narede. As propriedades desses percursos variam dediversas maneiras, tais como: comprimento do salto,largura de banda, atraso total, atraso na fila etc

Técnicas podem explorar várias diversidades





Conceitos

Diversidade em Frequência – A propagação de sinaisem diferentes frequências experimenta diferenças emreflexão, difração e espalhamento (Salto de canal –WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e)Diversidade por Multiusuário – O aumento global dataxa de transmissão do sistema cresce com o número deusuários e com ganho na variação do canalDiversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fiode múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptorpode ser conectado por meio de múltiplos percursos narede. As propriedades desses percursos variam dediversas maneiras, tais como: comprimento do salto,largura de banda, atraso total, atraso na fila etcTécnicas podem explorar várias diversidades





Retransmissão em RSSF

Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial

Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?

Todos⇒ inundação na redeAlguns : qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!

Diversidade temporal?








Todos

⇒ inundação na redeAlguns : qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!









Todos⇒ inundação na rede

Alguns : qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!









Todos⇒ inundação na redeAlguns

: qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!









Todos⇒ inundação na redeAlguns : qual o critério?

Nodos atuadores: sem problemas energéticos!
























O que é Codificação de Rede

Um novo paradigma para comunicação em redeNas redes tradicionais os nós intermediários podemsomente rotear ou replicar os pacotes recebidosNas redes codificadas estes nós podem criar novospacotes com a combinação algébrica dos pacotesrecebidosPotencial para:

Alcançar maiores taxas de transmissãoSimplificar algoritmos de roteamentoOtimizar as retransmissões





Exemplo da NC





Exemplo da NC





Exemplo da NC





Exemplo da NC





Exemplo da NC





Exemplo da NC





Exemplo da NC


Quatro intervalos de tempo Três intervalos de tempo.




Codificação de mensagens

Por definição, todos os pacotes que trafegam pela rede são vetoresde tamanho m sobre um corpo finito Fq (pi = [pi1 . . .pim], pij ∈ Fq).Cada nó fonte produz k pacotes originais (ordinários), definidoscomo x1, . . . ,xk . Os nós que fazem a codificação, constroem novospacotes executando combinações lineares (sobre Fq) dos pacotesrecebidos. Um nó qualquer recebe um conjunto de pacotes:

Y (t) =

y1...

yN

=

g11 . . . g1k...

. . ....

gN1 . . . gNk

x1

...xk

= G(t)X

onde G(t) é chamada a matriz de transferência da rede para umdeterminado destino t e k é o numero de pacotes codificadosrecebidos. O destino recupera os pacotes originais X resolvendo osistema linear





Codificação de mensagens na prática

Escolha do tamanho do corpo⇒ 28

Codificando mensagens:Escolha do coeficienteMultiplicar o coeficiente pela mensagem: toma-se de 8 em8 bits (= corpo) da mensagem e multiplica-se(deslocamento de bits) pelo coeficienteRepete-se para todas a mensagens a codificarO resultado final é obtido pelo XOR de todas asmensagensMensagem pronta para envio. Deve-se enviar oscoeficientes em anexo

Decodificando mensagens:Monta-se um sistema linear com todas as mensagensrecebidas, codificadas ou nãoResolução de sistema linear: extrai-se as incógnitas(mensagens) – deslocamento de bits.





















Retransmissão com Codificação de Rede

PrósDe uma mensagem codificada pode-se recuperar qualquermensagem perdida (?)Menor ocupação do meioDiversidade temporal e espacialUm bom algoritmo pode aproveitar nodos em distânciasintermediárias como retransmissores, aumentando aprobabilidade de sucesso

ContrasOverhead na mensagem: ocupação do meio + energiaOver hear : energiaOver processing: custo





Retransmissão com Codificação de Rede

PrósDe uma mensagem codificada pode-se recuperar qualquermensagem perdida (?)Menor ocupação do meioDiversidade temporal e espacialUm bom algoritmo pode aproveitar nodos em distânciasintermediárias como retransmissores, aumentando aprobabilidade de sucesso

ContrasOverhead na mensagem: ocupação do meio + energiaOver hear : energiaOver processing: custo





Perguntas?





Muito Obrigado!


Education

Cooperação e Codificação de Rede Aplicadas as RSSF Industriais