UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ BUCUREŞTI

FACULTATEA DE ELECTRONCĂ, TELECOMUNICAŢII ŞI TEHNOLOGIA INFORMAŢIEI

INGINERIA SISTEMELOR DE CALCUL

PROIECT Tehnici de Rutare în Reţelele de Senzori Wireless

Student : Murineanu Victor

Bucureşti - 2009 -

CUPRINS

1. INTRODUCERE....................................................................................3

1.1 CERINŢELE DE PROIECTARE...................................................................51.2 EXEMPLE DE APLICAŢII ALE REŢELELOR DE SENZORI............................91.3 TIPURI DE APLICAŢII ÎN CARE SE POT FOLOSI REŢELELE DE SENZORI. .131.4 PROBLEME ÎN REŢELELE DE SENZORI FĂRĂ FIR...................................15

1.4.1 Cerinţe caracteristice.......................................................................................151.4.2 Mecanisme necesare.........................................................................................17

2. ARHITECTURA REŢELELOR DE SENZORI............................19

2.1 COMPONENTELE HARDWARE ALE UNUI NOD.......................................192.1.1 Controllerul......................................................................................................202.1.2 Memoria............................................................................................................212.1.3 Sistemul de comunicaţie...................................................................................222.1.4 Senzori şi actuatori...........................................................................................252.1.5 Alimentarea nodurilor senzor...........................................................................26

2.2 SISTEME DE OPERARE ŞI MEDII DE EXECUŢIE.......................................303 ARHITECTURA STIVEI DE PROTOCOALE WSN...................34

3.1 NIVELUL FIZIC......................................................................................343.2 NIVELUL LEGĂTURII DE DATE (PROTOCOALE MAC)...........................36

3.2.1 Probleme de consum la nivelul MAC...............................................................393.3 NIVELUL DE REŢEA..............................................................................47

3.3.1 QoS în reţelele de senzori.................................................................................483.3.2 Problemele implementării QoS în reţelele de senzori......................................503.3.3 Exemple de protocoale de rutare cu QoS.........................................................52

4. GLOSAR................................................................................................55

5. Bibliografie...........................................................................................58

2

1. INTRODUCERE

Reţelele de senzori fără fir (WSN) vor constitui o parte integrantă a vieţii noastre în viitorul apropiat. Se pot dezvolta o largă diversitate de aplicaţii, bazate pe capacitatea mecanismelor de a extrage informaţii din mediul înconjurător, de a le procesa şi de a le utiliza. Dincolo de motivaţia proiectelor de cercetare iniţiale, interesul pentru reţelele de senzori devine din ce în ce mai mare şi varietatea domeniilor în care îşi găsesc aplicaţii este imensă. Un set de trăsături cheie ale acestor reţele îl constituie necesitatea autoconfigurării şi autoîntreţinerii, precum şi lipsa extremă a resurselor în ceea ce priveşte energia, puterea procesorului, memoria ş.a.m.d. În acest context, devine destul de dificilă furnizarea de soluţii eficiente, datorită constrângerilor severe şi rar întâlnite care trebuie luate în considerare. Este, de asemenea, interesantă studierea acestor sisteme, din moment ce multe şi noi compromisuri, care nu ocupă un loc important în reţelele tradiţionale, pot fi identificate în procesul de proiectare. De asemenea, în scopul de a oferi soluţii eficiente sunt necesare atât o vasta abordare interdisciplinară, o confruntare cu întrebări fundamentale asupra subiectului, cât şi o punere în practică a ideilor şi o testare riguroasă a acestora.

Într-o perioadă când cercetarea reţelelor de senzori este în plină dezvoltare şi multe tehnici şi metode noi sunt propuse şi dezvoltate, acest subiect poate servi ca un punct de start pentru dorinţa de cunoaştere şi aprofundare a oamenilor în acest domeniu, dar şi ca o trecere în revistă a tot ce se întâmplă în această arie a ştiinţei pentru cei ce activează deja pe această direcţie.

Antrenate de dezvoltările din domeniile microsenzorilor şi reţelelor fără fir, reţelele de senzori fără fir devin disponibile pentru foarte multe aplicaţii comerciale şi militare cum ar fi monitorizarea mediului şi factorilor înconjurători (trafic,securitate),detecţia şi diagnosticarea în domeniul industrial (fabrici, instalaţii), monitorizarea infrastructurilor (reţele de putere, distribuţia apei, deozitare de deşeuri) şi culegerea datelor de pe teatrele de operaţiuni.

Domeniul reţeleor de senzori fără fir deschide de fapt noi direcţii de cercetare care includ: controlul senzorilor, funcţiile acestora, urmărirea şi localizarea, fuziunea datelor manipulate, baze de date distribuite, protocoale de comunicaţie, date despre zona de acoperire, conectivitatea reţelei, resursele energetice critice, capacitatea şi timpul de viaţă a reţelei, arhitectura şi metodologia de proiectare hardware şi software. Mai mult, trebuie luate în considerare eficienţa, costul, robusteţea, autoconfigurarea, toleranţa la avarii, oportunitatea utilizării, durata de exploatare a reţelei. Cum foarte multe cercetări au avut ca obiect de studiu aceste subdomenii, este binevenită o abordare a acestui subiect şi o prezentare a rezultatelor obţinute în cercetarea pe aceste direcţii.

Lucrarea de faţă prezintă pe scurt câteva din aspectele reţelelor de senzori fără fir: aplicaţii ale acestora, arhitecturi ale reţelelor, din punct de vedere hardware şi software, precum şi o tratare a arhitecturii protocoalelor uitilizate, din punctul de vedere al stivei OSI/ISO, direcţia dezvoltată pe larg fiind aceea a tehnicilor de rutare, cu accent pe necesitatea asigurării serviciilor QoS în unele aplicaţii.

În martie 2006, Agenţia Europeană pentru Monitorizare, Evaluarea Structurală şi Control (European Network for Structural Assessment Monitoring and Control) a

3

organizat o întâlnire în care şi-a manifestat interesul în cercetările în reţelele fără fir de senzori, planificând un calendar de cercetare, cu obiective ambiţioase: crearea unei reţele de monitorizare structurală şi a infrastructurii integrată la nivel european până în anul 2020. S-a luat în considerare următoarea desfăşurarea a implementării:

Elementele constitutive vor fi dezvoltate din sisteme izolate către reţele de senzori integrate către sisteme complet imersate. Senzori robuşti, fiabili şi ieftini vor putea fi integraţi oriunde;

Metodologia se va dezvolta pornind de la metodele izolate, curente, spre metode armonizate care permit integrarea mai multor surse de informare ajungându-se în final la metode standardizate deschise unei clase largi de utilizatori;

Utilizarea tehnologiei, în prezent rezervată experţilor, va evolua spre utilizarea uneltelor soft comune şi va ajunge la software integrat open-source în fiecare aplicaţie care suportă luarea de decizii;

Aplicaţiile vor evolua de la proiecte izolate cu interese punctuale către o integrare interdisciplinară, ajungându-se în final la o integrare completă, sistemul SAMCO ajungând o parte a vieţii cotidiene.

Priorităţile agenţiei europene sunt: senzorii şi reţelele de senzori, cadrul computaţional, structuri inteligente, siguranţă şi securitate, monitorizarea ciclului de viaţă, evaluarea şi analiza riscurilor.

Obiectivul de cercetare pentru reţelele de senzori este realizarea de hardware standardizat, pentru a se putea obţine informaţie comparabilă. Proiectul va dezvolta o metodologie standard de aplicaţie care va permite comparaţia structurilor diferite. Bazându-se pe hardware-ul existent, concepţii inovatoare vor fi proiectate şi testate, fiind alese cele suficient de flexibile să scaleze dezvoltările ulterioare. Se doreşte ca o unealtă digitală de verificare să înlocuiască verificarea vizuală actuală.

În plus se doreşte dezvoltarea de infrastructuri fără fir cu o durată de viaţă indefnită, capabilă să reziste în medii dure, de precizie mare, eventual fără necesitatea unei surse interne epuizabile de energie pentru captarea de informaţii şi transmiterea acestora.

În lumina interesului în creştere faţă de reţelele de senzori, dorim efectuarea unei prezentări a spaţiului de proiectare şi a variatelor sale dimensiuni. Această prezentare se poate dovedi utilă pentru organizarea discuţiei şi structurarea direcţiilor de cercetare (analizarea legăturilor existente între aplicaţii software şi hardware, evitarea duplicării muncii pe aceleaşi direcţii) şi pot oferi, de asemenea, o bază conceptuală pentru dezvoltarea de cadre software adaptabile la cerinţele diferitelor aplicaţii.

1.1 Cerinţele de proiectare

Cercetările iniţiale în domeniul reţelelor de senzori fără fir au fost motivate, în principal de aplicaţii militare. Mai recent au fost identificate aplicaţii civile numeroase care pot beneficia de acestea: monitorizarea mediului înconjurător, agricultura, producţia şi livrarea, sănătatea. Reţelele pot fi construite şi din noduri eterogene şi mobile; topologia poate fi la fel de simplă, asemeni topologiei stea; reţelele pot folosi infrastrcturi de comunicaţie deja existente. Pentru a descoperi această direcţie generală către

4

diversitate discutăm în secţiunile care urmează dimensiunile importante ale spaţiului de proiectare a reţelelor de senzori fără fir. Caracterizăm pe scurt fiecare dimensiune şi încercăm să identificăm anumite proprietăţi, în scopul realizării unei clasificări pe clase de aplicaţii.

Rămâne totuşi de discutat ce proprietăţi sunt semnificative pentru a putea fi categorisite explicit ca fiind dimensiuni în spaţiul de proiectare. Evoluţiile viitoare vor schimba într-o măsură mai mică sau mai mare lista de mai jos. Am încercat ca aceste sugestii inţiale să consiste dintr-un set considerabil de dimensiuni, bazând alegerile pe două principii: ar trebui să existe diferenţe notabile între aplicaţii şi o dimensiune ar trebui să aibă un impact semnificativ asupra proiectării şi implementării soluţiilor tehnice.

Amplasarea reţelei: amplasarea nodurilor senzor în spaţiul fizic al mediului înconjurător poate lua câteva forme. Nodurile pot fi amplasate aleator (de ex. paraşutate din avion) sau instalate deliberat în anumite puncte. Desfăşurarea poate avea loc într-o singură fază iniţială, sau poate fi un proces continuu, noduri senzor fiind amplasate pe toată durata de funcţionare a reţelei (pentru înlocuirea senzorilor defecţi sau pentru îmbunătăţirea rezoluţiei).

Tipul de amplasare afectează de fapt proprietăţi importante, cum ar fi densitatea de noduri de reţea, localizarea acestora, dinamica reţelei etc.

Ca o mică concluzie, putem nota câteva clase care derivă din cele prezentate mai sus: aleator vs. manual, singular vs. iterativ.

Mobilitatea: nodurile senzor îşi pot schimba poziţia după desfăşurarea iniţială. Mobilitatea poate fi rezultatul influenţelor mediului înconjurător, cum ar fi vântul şi apa. Nodurile pot fi amplasate pe entităţi mobile şi chiar pot avea capacitatea de a se autodeplasa. Poate fi deci un efect accidental sau intenţionat (activ - autodeplasarea sau pasiv – plasarea pe obiecte în mişcare). Mobilitatea se poate aplica tuturor nodurilor sau unor subseturi din reţea. Gradul de mobilitate poate varia de la o mişcare ocazională cu perioade lungi de imobilitate, la o mişcare periodică sau constantă.

Mobilitatea are un puternic impact asupra gradului aşteptat al dinamicii reţelei, şi deci proiectarea protocoalelelor şi algoritmilor de repartizare.viteza efectivă a mişcării are impact asupra intervalului de timp în care nodurile sunt la o distanţă la care comunicaţia e fiabilă.

Clasele pe care le putem extrage de mai susar fi: imobil vs. parţial mobil vs. mobil; ocazional vs. continuu; activ vs. pasiv.

Cost, dimensiune, resurse şi energie: în funcţie de cerinţele particulare ale aplicaţiei, forma şi dimensiunea poate varia foarte mult, de la dimensiunile relative ale unei cutii de pantofi (pentru aplicaţii meteo) până la senzori MEMS, microscopici, pentru aplicaţii militare. Similar, costul unui nod poate varia de la câteva sute/mii de euro, pentru reţele cu număr redus de noduri extrem de capabile, până la câţiva cenţi pentru reţele cu noduri foarte simple.

Nodurile senzor sunt dispozitive autonome, iar energia disponibilă alături de alte resurse sunt limitate de dimensiuni şi costuri. Dimensiunea variabilă şi constrângerile legate de costuri rezultă direct din limitele între care variază energia disponbilă (de exemplu, dimensiunea, costul şi densitatea energetică a bateriilor sau a dispozitivelor de captare a energiei din exterior), resursele computaţionale, de stocare şi de comunicaţie. Prin urmare, energia şi alte resurse disponibile unui nod senzorpot varia de la un sistem la

5

altul. Resursele energetice pot fi stocate (de exemplu în baterii), ori pot fi captate din mediul înconjurător.

Aceste constrângeri în ceea ce priveşte resursele disponibile limitează complexitatea software-ului dezvoltat pentru nodurile de senzori. Pentru clasificarea noastră, am partiţionat, în mare, nodurile senzor în patru clase în funcţie de dimensiunea lor fizică: "brick" (cărămidă), "matchbox" (cutie de chibrituri), "grain" (bob de grâu), "dust" (fir de nisip).

Eterogenitatea: viziunile timpurii asupra reţelelor de senzori au anticipat că acestea se vor constitui, în general, din dispozitive omogene, identice în mare măsură din punct de vedere hardware şi software. Unele proiecte chiar au admis că diferenţele dintre nodurile senzor sunt absolut imperceptibile, adică ele nu aveau nici măcar adrese unice sau ID-uri în implementarea lor hardware. Acest punct de vedere se baza pe observaţia conform căreia nu se pot produce vaste cantităţi de noduri senzor la costuri mici în altă situaţie decât cea precizată mai sus.

Cu toate acestea, în multe din sistemele prototip disponibile în zilele noastre, reţelele de senzori se constituie dintr-o mare varietate de dispozitive. Nodurile pot să difere în ceea ce priveşte tipul şi numărul senzorilor ataşaţi; unele dintre ele pot avea o putere computaţională mai mare şi astfel pot colecta, procesa şi ruta date de la mai multe alte noduri cu capabilităţi mai limitate; unele noduri senzor pot fi echipate cu dispozitive hardware speciale, cum ar fi sistemele de poziţionare globală (GPS - Global Positioning System) care se comportă ca nişte balize de localizare pentru alte noduri, deducând, astfel, poziţiile acestora; alte noduri se pot comporta asemeni unor pasaje de trecere pentru reţelele de comunicaţii cu raza mare de acţiune (de exemplu, reţelele GSM, reţelele satelitare sau internetul).

Gradul de eterogenitate al unei reţele de senzori este un factor important din moment ce afectează complexitatea software-ului realizat pentru nodurile de senzori şi managementul întregului sistem.

Rezultă, astfel, două clase: omogen vs. eterogen.Modalităţi de comunicaţie: pentru comunicaţia fără fir între nodurile senzor se

pot folosi câteva tehnici care au la bază undele radio, lumina difuză, undele laser, cuplajele inductive sau capacitive şi chiar sunetul.

Poate cea mai comună modalitate pentru o astfel de comunicaţie o reprezintă undele radio, din moment ce acestea nu necesită un câmp de vizibilitate directă, şi comunicaţiile de raze peste medie pot fi implementate cu un consum de putere redus şi cu ajutorul unor antene de dimensiuni relativ mici (câţiva centimetri în benzile de frecvenţă uzuale de câţiva gigahertzi). Utilizarea fasciculelor de lumină pentru comunicaţii necesită câmp de vizibilitate directă şi acestea pot interfera cu lumina ambientală sau lumina zilei, dar permit folosirea unor transceivere de dimensiuni mai mici şi cu un consum energetic mai eficient decât în cazul comunicaţiilor radio. "Smart Dust", de exemplu, foloseşte fasciculele laser în comunicaţii. Cuplajele inductive sau capacitive funcţionează doar pe distanţe mici, dar pot fi folosite pentru alimentarea unor noduri senzor. Cele mai multe din sistemele pasive de identificare în radiofrecvenţă (RFID - Radio Frequency Identification Systems) folosesc, de exemplu, cuplaje inductive. Sunetul sau ultrasunetul sunt folosite, în general, în comunicaţiile sub apă sau pentru măsurarea distanţelor bazate pe dimensionarea timpilor de propagare. Uneori, un singur sistem de senzori, o reţea desenzori poate folosi modalităţi diferite de comunicaţie

6

Modalităţile de comunicaţie folosite influenţează, desigur, proiectarea nivelului MAC (Medium Access Control) şi a protocoalelor de comunicaţii, dar şi alte proprietăţi relevante pentru aplicaţii.

Distingem, astfel, clasele: radio vs. fascicul luminos vs. cuplaj inductiv vs. cuplaj capacitiv vs. sunet.

Infrastructura: variatele metode de comunicaţie pot fi folosite în diferite feluri în scopul implementării unei reţele de comunicaţii. Putem spune că există două tipuri de reţele: pe de o parte, reţelele care se bazează pe infrastructură, iar pe de altă parte, reţelele ad-hoc. în reţelele bazate pe infrastructură, nodurile senzor pot comunica doar direct cu device-uri care au funcţii de staţii de bază. Comunicaţia între nodurile senzor se realizează prin intermediul staţiilor de bază. Dacă există mai multe staţii de bază, acestea trebuie să fie capabile să comunice între ele. Numărul staţiilor de bază depinde de raza de comunicaţie şi de aria de acoperire a nodurilor de senzori. Reţelele de telefonie mobilă constituie un exemplu pentru acest tip de reţea.

În reţelele ad-hoc, nodurile pot comunica unele cu altele direct, fără aportul infrastructurii. Nodurile se pot comporta ca routere, transmiţând mesaje, prin salturi multiple, mai departe în numele altor noduri.

Din moment ce desfăşurarea unei infrastructuri este un proces costisitor şi instalarea ei poate fi, deseori, greu realizabilă, reţelele ad-hoc sunt preferate în majoritatea aplicaţiilor. Cu toate acestea, dacă o infrastructură este deja disponibilă (de exemplu, reţeaua GSM), aceasta poate fi, de asemenea, utilizată pentru anumite aplicaţii ale reţelelor de senzori.

Combinarea celor două tipuri de reţele, ad-hoc şi bazate pe infrastructură, este folosită, uneori, unde grupuri de noduri senzor sunt interconectate printr-o reţea întinsă, bazată pe infrastructură.

De notat faptul că ceea ce s-a discutat mai sus se aplică nu doar procesului de comunicaţie în reţea, ci şi celorlalte procese: de localizare şi sincronizare (ex. sateliţii GPS).

Rezultă, astfel, cele două clase: infrastructura vs. ad-hoc.Topologia: o importantă proprietate a reţelelor de senzori o reprezintă diametrul

fizic, care reprezintă numărul maxim de salturi dintre oricare două noduri din reţea. În forma ei simplificată, o reţea de senzori formează o reţea cu un singur salt, în care fiecare comunică direct cu oricare alt nod din sistem. Reţeaua bazată pe infrastructură, cu o gură staţie de bază, formează o reţea stea cu diametrul doi. Reţeaua cu salturi multiple poate forma un graf arbitrar, dar de cele mai multe ori ea este construită sub forma unei structuri arborescente sau asemeni unei înlănţuiri de topologii stea.

Topologia afectează multe din caracteristicile unei reţele, cum ar fi timpul de latentă, robusteţea şi capacitatea. Complexitatea routării datelor şi a procesării depinde, de asemenea, de topologie.

Clasele care se desprind de mai sus ar fi: salt singular vs. stea vs. reţea de stele vs. arbore vs. graf.

Acoperirea: raza efectivă de acţiune a senzorilor ataşaţi unui nod senzor defineşte aria de acoperire a acestuia. Acoperirea reţelei măsoară gradul de acoperire a ariei de interes corespunzătoare nodurilor senzor. Cu o acoperire împrăştiată, răzleţită, doar unele părţi din zona de interes vor fi acoperite. Dar cu o acoperire densă, zona de interes va fi complet (aproape complet) acoperită de senzorii respectivi. Cu o acoperire

7

redundantă, însă, mai mulţi senzori acoperă aceeaşi locaţie fizică. Gradul efectiv de acoperire este, în principal, determinat de acurateţea observării şi de redundanţa necesară. Acoperirea poate varia în interiorul reţelei. De exemplu, nodurile senzor pot fi desfăşurate mai dens în locaţiile fizice de interes.

Gradul de acoperire influenţează, de asemenea, algoritmii de procesare a informaţiilor. O bună acoperire este cheia către sistemele robuste şi poate fi exploatată pentru a extinde timpul de viaţă a reţelei prin trecerea nodurilor redundante în stare de repaus ("sleep mode"), în scopul conservării resurselor.

împrăştiat vs. dens vs. redundant sunt clasele obţinute de mai sus.Conexiunile: raza de comunicaţie şi locaţiile fizice ale fiecărui nod senzor în

parte definesc conexiunile unei reţele. Dacă există permanent o conexiune în reţea (posibil cu salturi multiple) între două noduri oarecare, se spune că este vorba despre o reţea conectată. Conexiunile pot fi discontinue sau intermitente dacă reţeaua este ocazional partiţionată. Dacă nodurile sunt izolate în cea mai mare parte a timpului şi intră în raza de comunicaţie a altor noduri, doar ocazional, vorbim despre o conexiune sporadică. De notat că, în ciuda existenţei partiţiilor, mesajele pot fi transportate peste acestea cu ajutorul nodurilor mobile.

Conexiunile influenţează, în principal, proiectarea protocoalelor de comunicaţii şi a metodelor de colectare a datelor.

Clasele care se desprind din această discuţie sunt: conectat vs. intermitent vs. sporadic.

Dimensiunea reţelei: numărul nodurilor constituiente ale unei reţele de senzori este, în general, determinat de cerinţele relative la conexiunile reţelei, la aria ei de acoperire şi la zona de interes. Mărimea reţelei poate varia de la câteva noduri senzor la câteva mii sau chiar mai mult. Dimensiunea ei determină cerinţele de scalare cu privire la protocoale şi algoritmi.

Timpul de viaţă: în funcţie de aplicaţie, timpul de viaţă a unei reţele poate varia de la câteva ore la câţiva ani. Necesitatea unui timp de viaţă cât mai lung are un mare impact asupra gradului de eficienţă energetică şi asupra robusteţii nodurilor reţelei.

Alte cerinţe asupra calităţii serviciilor: funcţie de aplicaţii, o reţea de senzori trebuie să fie capabilă să satisfacă anumite proprietăţi în ceea ce priveşte calitatea serviciilor (QoS - Quality of Service), aspecte cum ar fi cele legate de: funcţionarea în timp real (ex. producerea unui eveniment trebuie raportată într-un anumit interval de timp), robusteţea reţelei (ex. reţeaua ar trebui să rămână operaţională chiar dacă anumite erori, binedefinite, apar în funcţionarea ei), rezistenţa la atacuri (ex. reţeaua trebuie să rămână funcţională în pofida unor atacuri deliberate), împotrivirea contra tentativelor de acces nepermis (ex. entităţi externe trebuie oprite în încercarea lor de a obţine accesul la traficul pe reţea), secretizarea prezenţei (ex. prezenţa reţelei trebuie să fie greu de detectat). Aceste cerinţe pot avea influenţe şi asupra altor dimensiuni ale spaţiului de proiectare, cum ar fi acoperirea sau resursele reţelelor.

8

1.2 Exemple de aplicaţii ale reţelelor de senzori

Pe lângă necesitatea de a construi platforme pentru senzori ieftine, uşor de programat şi de interconectat într-o topologie de reţea, este crucial pentru dezvoltarea de aplicaţii capacitatea platformei de a integra diferitele modele de senzori existenţi pentru a se putea forma nodul de colectare.

Pentru mulţi parametri fizici există tehnologie de achiziţie ce se poate adapta şi integra într-un nod al unei reţele de senzori wireless. Unele din cele mai populare traductoare sunt cele de temperatură, umiditate, lumină din spectrul vizibil sau infraroşu, acustice, de vibraţie (de exemplu pentru detectarea perturbaţiilor seismice), presiune, senzori pentru diverşi compuşi chimici (gaze sau chiar solide – compoziţia solului), pentru tensiunile mecanice, traductoare de camp magnetic (pentru detecţia vehiculelor), potenţial chiar şi radar. Există, de asemenea şi traductoare mai complexe ce se pot imagina (ca o asociere de mai multe platforme integrate pe acelaşi support).

Acţionările electrice (actuatoare) controlate prin intermediul unei reţele wireless de senzori nu au o gama la fel de largă de aplicaţii. Tipic cu ajutorul lor se controlează dispozitive mecanice (servo mecanisme) sau contacte electrice prin intermediul unui releu.

Pe baza acestor platforme care suprapun capabilităţile traductoarelor şi acţionărilor cu un nucleu de procesare de date şi transmitere a acestora se pot construi multe aplicaţii.

O scurtă prezentare de scenarii ce pot beneficia de implementări ale unor reţele wireless de senzori va face evidentă dimensiunea vastă a spaţiului de proiectare cât şi cerinţele foarte diferite, după locaţia reţelei şi destinaţia acesteia:

Reacţie la dezastre: este una din cele mai menţionate aplicaţii ale reţelelor wireless de senzori. Un scenariu tipic este detecţia incendiilor din medii extraurbane: nodurile

echipate cu senzori de temperatură şi cu software adecvat care le permite sa poată determina poziţia proprie (fie în relaţie cu vecinii sau în coordonate absolute). Aceştia sunt răspândiţi într-un perimetru extraurban (de exemplu o pădure), fie preventiv, fie din aeronave specializate, în momentul izbucnirii unui incendiu. Din datele centralizate se formează o hartă termică a regiunii, pe care se poate determina zonele de temperatura ridicată care sunt accesibile terestru (de către pompieri echipaţi cu PDA-uri). Scenarii similare se pot imagina pentru controlul accidentelor în uzine chimice.

Unele din aplicaţiile de monitorizare a incidentelor au puncte comune cu aplicaţii de tip militar, senzorii din componenţa nodurilor fiind proiectaţi să detecteze mişcările de trupe (în loc de incendii). Într-o astfel de aplicaţie, senzorii trebuie sa fie proiectaţi pentru un cost minim, putând fi consideraţi de unică folosinţă (numărul lor este mare, deci preţul trebuie să fie redus pentru a face sistemul fezabil). În aceste condiţii, cerinţele de proiectare privind durata de viaţă a acumulatorului nu sunt foarte dure.

Controlul mediului şi evaluarea biodiversităţii:Reţelele wireless de senzori pot fi utilizate în controlul calităţii mediului. Un

exemplu legat de poluanţii chimici este monitorizarea unei rampe de gunoi. Se poate da şi exemplul monitorizării platoului marin (înţelegerea fenomenelor de eroziune a acestuia

9

sunt importante pentru construcţia de ferme eoliene maritime). Legat de controlul ecologic este utilizarea reţelelor de senzori pentru evaluarea numărului de specii de plante şi animale dintr-un habitat (maparea biodiversităţii)

Principalele avantaje ale utilizării reţelelor de senzori wireless în astfel de aplicaţii sunt legate de funcţionarea pe o durată cât mai lungă a senzorilor in maximă proximitate cu subiecţii de interes (pentru o culegere de date cât mai eficientă). Deoarece senzorii pot fi făcuţi suficient de mici ca sa nu perturbe habitatul în care sunt amplasaţi, având deci un impact minim asupra observaţiilor.

De cele mai multe ori este necesar un număr mare de senzori pentru astfel de aplicaţii, iar restricţiile relativ la consumul de energie sunt dure (se doreşte o durata de viaţă cât mai mare).

Clădiri Inteligente: Clădirile risipesc cantităţi foarte mari de energie prin utilizarea ineficientă a surselor de aer condiţionat, ventilaţie şi controlul umidităţii (HVAC).Un sistem de înaltă rezoluţie, în timp real pentru monitorizarea temperaturii,

fluxului de aer, umidităţii şi alţi parametri ai unei clădiri prin intermediul unei reţele de senzori wireless pot creşte semnificativ confortul şi scădea consumul de energie (unele studii plasează această scadere la până la 2.000.000 TBTU numai pe teritoriul S.U.A. vezi [1]).

Îmbunătăţirea eficienţei energetice şi creşterea simplităţii în utilizare sunt unele din motivele pentru care aplicaţiile tip “clădire inteligentă” sunt studiate cu interes. Aplicaţii dedicate controlului acestor parametri sunt deja disponibile în formatul de reţea cu fir (BACnet, LonWorks, KNX [2]). Standardele dezvoltate includ şi dezvoltarea de componente wireless sau au incorporate astfel de componente.

Suplimentar, astfel de noduri cu senzori pot fi utilizaţi în monitorizarea stresului mecanic la care sunt supuse clădirile în zonele active seismic. Prin măsurarea parametrilor mecanici, cum ar fi încărcarea la încovoiere a grinzilor, este posibil să se afle cu ajutorul reţelelor de senzori dacă o clădire mai constituie un obiectiv sigur după un cutremur sau dacă este în pragul colapsului (acest lucru este de ajutor personalului de salvare implicat), în reţea putând participa şi tipuri de senzori dedicate detecţiei formelor de viaţa prinse în cladirile prăbuşite. Sisteme similare de detecţie a stresului mecanic pot fi utilizate pe poduri.

Avantajul reţelelor într-o astfel de aplicaţie îl reprezintă maparea spaţială a parametrilor fizici. În funcţie de tipul de aplicaţie, nodurile de senzori pot fi instalate în cladiri deja construite (pentru aplicaţii de monitorizare a umiditaţii/ventilaţiei/aerului condiţionat) sau incorporaţi în cladiri aflate în construcţie. Dacă senzorii nu dispun de alimentare de la reţea, costul acestora creşte mult, deoarece cerinţele legate de durata de viaţă sunt foarte dure (în general câteva zeci de ani). Totuşi, numărul de noduri necesare este relativ redus, şi deci costul total va fi modest având in vedere bugetul necesar pentru construcţia unei cladiri.

Managementul locaţiilor: În managementul unor amplasamente ce cuprind mai multe clădiri, reţelele de senzori wireless au o largă gamă de aplicaţiiExemple simple includ sisteme de identificare/acces fără fir, personalul autorizat

purtând cartele ce permit identificarea de către reţea (de cele mai multe ori prin

10

verificarea unei baze de date centrale). Acest exemplu se poate extinde la detecţia intruşilor: o reţea de senzori pe o arie extinsă poate detecta şi localiza poziţia unui potenţial intrus şi transmite poziţia acestuia personalului specializat (această aplicaţie are multe în comun cu aplicaţiile militare de urmărire). Un alt exemplu îl reprezintă folosirea unei reţele de senzori într-o fabrică chimică, pentru a sesiza eventuale scurgeri potenţial periculoase.

Aceste aplicaţii oferă o provocare proiectanţilor, deoarece numărul de noduri necesar este mare, aceştia trebuie să colaboreze – în special în urmărirea de ţinte (nevoia de protocoale de colaborare adecvate), şi trebuie să fie capabile să funcţioneze un timp îndelungat cu acumulatorii proprii.

Supravegherea maşinilor şi mentenanţă preventivă:Există mai multe direcţii investigate: Fixarea de noduri cu senzori în zone dificil

de investigat ale angrenajelor (de exemplu pe osiile trenurilor sau diferite sisteme robotizate), senzori ce pot detecta modele de vibraţie care indică necesitatea unor reparaţii. Se pot imagina uşor şi alte aplicaţii asemănătoare.

Avantajul principal al unei reţele de senzori wireless într-o astfel de aplicaţie este funcţionarea fără cabluri de transport date, evitându-se astfel o problemă de mentenanţă suplimentară. În plus, în general instalarea e simplă, şi poate fi efectuată post fabricare. O sursă de alimentare prin cablu poate fi sau nu disponibilă, depinzând de scenariu. Dacă nodurile trebuie să se bazeze pe alimentare proprie, se impun condiţii dure la alegerea acumulatorilor şi la metodele de conservare a energiei, deoarece schimbarea acestora este de obicei impractică şi costisitoare. Pe de altă parte, de cele mai multe ori dimensiunea nodului şi preţul acestuia nu constituie un factor critic şi restricţiile nu sunt dure.

Agricultura de precizie:Utilizarea reţelelor wireless de senzori în agricultură permite irigarea şi

fertilizarea precisă a culturilor prin plasarea de senzori de umiditate şi compoziţie a solului în lanuri. Se consideră că este în general nevoie de un număr scăzut de senzori (în jur de 1 la 100 m2).

În mod similar se pot utiliza pentru controlarea dăunătorilor sau pentru monitorizarea sănătăţii animalelor domestice.

Medicină:În mod similar se pot utiliza reţele de senzori wireless în medicină. Exemple de

aplicaţii se pot da de la monitorizarea pacienţilor în unităţile de terapie intensivă, senzorii fiind direct ataşaţi de pacient (lipsa firelor fiind un avantaj considerabil), până la supravegherea pe termen lung a pacienţilor şi administrarea automată de medicamente, sisteme de urmărire a cadrelor medicale şi a pacienţilor în spitale etc.

Logistică:În mai multe aplicaţii de logistică, este convenabilă echiparea diverselor mărfuri

cu senzori simpli ce permit urmărirea lor în timpul transportului şi facilitează indentificarea inventarului în depozite.

De cele mai multe ori, acest caz special de aplicaţii nu necesită ca senzorii să comunice activ între ei sau cu un nod colector, se pot extrage informaţiile pasiv prin

11

sisteme tip RFID (de exemplu bagajele pe liniile de sortare din aeroporturi trec prin mai multe puncte de control unde li se poate urmari şi contoriza evoluţia).

Avantajul unui sistem RFID este costul extrem de scazut, preluarea informaţiilor facându-se prin identificatoare de radio frecvenţă.

Cu ajutorul identificatoarele de radio frecvenţă nu se pot implementa aplicaţii mai complexe de localizare (de exemplu identificarea poziţiei unui container într-un depozit), şi nu poate stoca informaţii ce pot interesa operatorii, cum ar fi poziţiile anterioare în care a fost localizat obiectul etc. Aceste aplicaţii şi altele asemănătoare necesită o participare activă din partea senzorului.

Telematică:Aplicaţiile de telematică sunt parţial legate de aplicaţiile logisticii, tratând însă

problemele asociate traficului rutier. Se doreşte crearea unor “şosele inteligente” capabile să urmărească condiţiile de trafic şi chiar să interacţioneze cu vehiculele transmiţând informaţii despre accidente sau blocaje în trafic.

Pe lângă cele mai sus menţionate, alte aplicaţii de reţele de senzori menţionate în literatura de specialitate includ aripile aeronavelor şi suport pentru spaţii inteligente [3], utilizarea în instalaţiile pentru tratarea apei reziduale [4], în camerele de prelucrare a semiconductorilor şi tunelurilor aerodinamice [5], în detecţia inundaţiilor [6], muzee interactive [1], monitorizarea habitatului păsărilor de pe o insulă îndepărtată [7] sau implantarea de senzori în corpul uman (monitorizarea nivelului de glucoza din sânge sau proteze de retină) [8].

Marea parte a aplicaţiilor descrise se pot implementa cu tehnologia actuală, chiar şi fără reţele fără fir de senzori, în special unde este nevoie de senzori mai performanţi pentru a oferi aplicaţiilor un nivel mai mare al rezoluţiei. În reţelele de senzori fără fir este însă crucială oferirea de informaţii cu o precizie specificată, la timp (în special în aplicaţiile în timp real sau care depind critic de timp) şi cu un consum cât mai redus de resurse.

1.3 Tipuri de aplicaţii în care se pot folosi reţelele de senzori

Multe din aplicaţiile în care se utilizează sistemele de senzori fără fir au în comun o serie de caracteristici. De cele mai multe ori există o diferenţiere clară între sursele de informaţii – nodurile care captează informaţia şi centrele de colectare – nodurile unde informaţiile trebuie livrate pentru colectare/procesare. Aceste centre fac uneori parte din reţeaua de senzori, dar există situaţii în care centrele de colectare sunt clar în afara reţelei de senzori propriu-zisă (în toate situaţiile în care există riscuri pentru operatorii umani – de exemplu pompierul echipat cu PDA ce îi oferă acces la informaţiile oferite de o reţea dintr-o cladire incendiată). De cele mai multe ori (dar nu întotdeauna), sunt mai multe surse decât centre de colectare, iar originea informaţiei este transparentă pentru centrul de colectare (sau centrul nu este interesat de originea informatiei), datele oferite fiind mult mai importante decât identitatea sursei.

12

Modelele de interacţiune între surse şi centre prezintă unele similitudini. Cele mai relevante sunt:

Detecţia evenimentelor: nodurile senzor trebuie să comunice centrului de colectare în momentul detectării unui eveniment specific.Evenimentele simple pot fi detectate local de un singur nod izolat (de exemplu

dacă se depăşeşte un prag termic); evenimente mai complicate necesită colaborarea nodurilor de senzori învecinaţi, şi câteodată chiar distanţi, pentru a decide dacă un eveniment complex a avut loc ( de exemplu dacă un gradient de temperatură a devenit prea abrupt). Dacă este posibilă recepţionarea mai multor tipuri de evenimente, se pune problema clasificării evenimentelor.

Măsurători periodice:Senzorii pot avea sarcina de a raporta periodic valorile măsurate. Deseori,

rapoartele pot fi declanşate de detecţia unui eveniment, aşa că perioada de raportare este dependentă de aplicaţia în care funcţionează reţeaua de senzori.

Aproximarea funcţiilor şi detecţia de extreme:Felul în care o dimensiune fizică (ca temperatura, de exemplu), variază dintr-un

loc în altul poate fi privit ca o funcţie de locaţie. O reţea de senzori fără fir poate fi utilizată pentru a aproxima această funcţie necunoscută (să-i extragă caracteristicile spaţiale), utilizând un număr limitat de eşantioane prelevate de fiecare nod senzor. Această evaluare aproximativă trebuie diseminată centrelor de colectare. Cum şi când se face reactualizarea evaluării depinde de necesităţile aplicaţiei, deasemenea precizia evaluării şi inerentele scăderi ale performanţei teoretice pentru a minimiza consumul de energie.

În mod similar, o problemă importantă o reprezintă identificarea unor zone sau puncte care au aceeaşi valoare (de exemplu punctele izoterme într-un incendiu forestier, pentru a se putea identifica conturul incendiului). Această problema poate fi generalizată la a gasi “marginile” acestor funcţii, sau transmiterea de mesaje pe conturul unor modele în spaţiu şi/sau timp.

Urmărire:Sursa unui eveniment specific poate fi mobilă ( de exemplu un intrus într-un

scenariu de detecţie intruşi). Reţeaua de senzori poate fi utilizată să actualizeze poziţia sursei evenimentului către centrul de colectare, eventual şi cu estimări ale vitezei de deplasare şi direcţiei. Pentru a realiza aceste obiective, nodurile senzor trebuie să coopereze înainte ca reactualizări să fie transmise centrului.

Aceste interacţiuni pot fi urmărite şi temporal şi spaţial (raportarea de evenimente numai dintr-un interval temporal stabilit, numai dintr-o arie stabilită etc.). Cerinţele pot varia dinamic, deci centrele de colectare trebuie să dispună de mijloace de a informa nodurile senzor de cerinţele actuale. În plus, interacţiunile pot avea loc atât pentru o singură cerere a unui centru (interogările unice), sau pot fi de lungă durată între mai multe noduri şi mai multe centre.

Exemplele prezentate mai sus scot în evidenţă o largă diversitate de moduri de plasare a sistemelor. Acestea pot fi: în poziţii bine determinate (de exemplu în aplicaţiile

13

de control), sau aleator (de exemplu în cazul paraşutării unui număr mare de noduri din avion în mijlocul unui incendiu forestier). Nodurile senzor pot fi mobile în unele cazuri pentru a compensa unele probleme apărute în procesul de amplasare, mutându-se în poziţii în care pot sa-şi îndeplinească mai bine funcţia. Pot fi amplasate pe ţinte mobile (în aplicaţiile de logistică şi/sau supraveghere) şi reţeaua trebuie să se adapteze la poziţia modificabilă a nodurilor.

Tipul aplicaţiei în care sunt utilizate reţelele fără fir influenţează posibilităţile de mentenanţă. Se pune problema dacă este fezabilă şi practică întreţinerea nodurilor, chiar şi în cazurile în care se efectuează reparaţii pe dispozitive conexe. De multe ori, este irelevantă problema mentenanţei, cum este în cazul reţelelor puse în folosinţă pe o durată strict predeterminată (scurtă), cum ar fi cazul controlului catastrofelor. Deasemenea este posibilă situaţia ca senzorii să trebuiască să funcţioneze o perioadă foarte lungă de timp fără interacţiune directă cu un operator uman, care ar putea efectua şi operaţii de întreţinere.

În foarte strânsă legătură cu opţiunile de întreţinere este problema sursei de alimentare. În cazul în care aplicaţia permite alimentarea nodurilor senzor de la o sursă continuă de energie, această problemă nu există. Pentru noduri autonome, depinzând de tipul şi timpul alocat misiunii, problema sursei de energie poate varia de la foarte simplă (în cazul misiunilor cu durate de ordinul zilelor), până la probleme delicate de cercetare, în special când întreţinerea nodurilor nu este posibilă şi aceştia trebuie să funcţioneze pe o durată îndelungată ( de ordinul anilor). Un factor important în aceste aplicaţii îl reprezintă preţul/dimensiunea per nod de senzor (determină alegerea unei soluţii în defavoarea alteia).

1.4 Probleme în reţelele de senzori fără fir

Având în vedere multitudinea de aplicaţii în care aceste reţele pot fi utilizate, este imposibilă realizarea unei variante unice. Există totuşi unele caracteristici comune, în special în zona de condiţii ce trebuiesc îndeplinite pentru o fucţionare adecvată. Îndeplinirea acestor condiţii folosind componente noi este de importanţă majoră pentru evoluţia reţelelor de senzori fără fir.

1.4.1 Cerinţe caracteristiceCaracteristicile următoare se regăsesc în cele mai multe din aplicaţiile reţelelor de

senzori:

Tipul de serviciuServiciile oferite de o reţea tradiţională de comunicaţii însumeaza transferul de

informaţie (biţi codaţi în diferite moduri) dintr-o locaţie în alta. O reţea de senzori transferă biţii de la sursa la destinaţie, deoarece este şi o reţea

de comunicaţii, dar acesta nu reprezintă scopul ei principal. De la o reţea de senzori, utilizatorii aşteaptă răspunsuri clare şi inteligibile, eventual chiar acţiuni specifice unei anumite sarcini trasate. Nu este deci o simplă reţea de transport, ci o reţea inteligentă distribuită, capabilă să ofere “răspunsuri, nu numere” (Steven Glasser, UC Berkeley).

14

În viitor, concepte precum evaluarea interacţiunilor la nivel local, fie că este vorba de regiuni geografice sau de intervale de timp vor avea un rol predominant. Se prevede necesitatea de a gasi noi moduri de a utiliza o retea de senzori, noi interfeţe precum şi noi moduri de gândire despre serviciile oferite de o astfel de reţea.

Calitatea serviciului (QoS)Calitatea serviciului este în strânsă legătură cu tipul de servicii oferite, fiind o

masură a acestora.Tradiţional, cerinţele pentru un serviciu de calitate – de obicei impuse de aplicaţii

multimedia – cum ar fi întârzierea totală sau banda minimă alocată. Acestea devin irelevante când aplicaţia e tolerantă la latenţă sau banda ocupată de datele transmise e mică. În unele cazuri, transmiterea ocazională de pachete e mai mult decât suficientă, în altele sunt impuse cerinţe ridicate de încredere în sosirea la timp a informaţiei.

Există cazuri concrete în care latenţa şi întârzierea constituie factori importanţi, de exemplu în cazul în care un sistem trebuie controlat prin actuatoare în timp real de o reţea de senzori. Rata de primire a pachetelor constituie în acest caz o metrică insuficientă, este relevantă doar calitatea informaţiei privind anumite obiecte sau arii extrasă în anumite centre de colectare.

Din această cauză trebuie definite concepte adecvate de calitate cum ar fi încrederea în detecţia evenimentelor sau calitatea aproximării unei măsurători.

Toleranţa la eroriDeoarece nodurile senzor pot să rămână fără energie sau să sufere defectări

(provocate de mediu şi condiţiile de funcţionare sau provocate prin intervenţie umană), iar legătura radio (sau optică/sonoră) poate fi întreruptă permanent, este foarte important din punctul de vedere al proiectării ca reţeaua fără fir de senzori să fie tolerantă la erori. Pentru a rezista la pierderea unui nod, este necesară o amplasare cu redundanţă, utilizând mai multe noduri decât ar fi necesare dacă reţeaua ar funcţiona corect.

Durata de viaţăÎn multe scenarii, nodurile senzor se vor baza pe o sursă limitată de energie (în

general baterii sau acumulatori). Înlocuirea acestor surse pe teren este de cele mai multe ori impractică (cost ridicat, eventual grad mare de periculozitate), deci reţelele de senzori trebuie să funcţioneze cel puţin pe durata stabilită a misiunii, sau pentru cât mai mult timp posibil. Din această cauză, durata de viaţă a unei reţele de senzori are o figură de merit foarte importantă. Este necesar un mod de utilizare eficient din punct de vedere energetic al reţelelor de senzori fară fir.

Ca o alternativă (sau supliment) al resurselor energetice disponibile unui nod, energia solară poate fi în unele situaţii (unde localizarea nodului o permite) utilizată prin convertirea cu celule fotovoltaice. De cele mai multe ori, aceste surse nu sunt suficient de puternice pentru a asigura funcţionarea continuă, dar pot asigura într-o oarecare măsură încărcarea bateriilor. În astfel de condiţii, durata de viaţă a reţelei e ideal indefinită.

Durata de viaţă a reţelei are un impact direct asupra QoS: investind mai multă energie în asigurarea unui QoS ridicat se poate creşte calitateaQoS: investind mai multă energie în asigurarea unui QoS ridicat se poate creşte calitatea, dar scade drastic durata de viaţă. Este nevoie de concepte pentru armonizarea acestor două caracteristici divergente.

15

Definirea exactă a duratei de viaţă depinde de tipul aplicaţiei. O opţiune simplă este definirea duratei de viaţă ca timpul de funcţionare până la cedarea primului nod. Alte definiţii includ: timpul până reţeaua este spartă în două sau mai multe porţiuni, timpul în care 50% (sau altă fracţiune fixă) din noduri cedează, sau timpul până la care o zonă din regiunea acoperită nu mai este sub observaţie (când se utilizează o amplasare redundantă, este de dorit ca fiecare punct de interes sa fie acoperit de cel puţin 2 noduri distincte la momentul iniţial).

ScalabilitateaDeoarece o reţea de senzori fară fir poate include un număr mare de noduri,

arhitecturile utilizate, precum şi protocoalele trebuie sa fie capabile să funcţioneze cu astfel de dimensiuni şi topologii.

Interval larg de densităţiÎntr-o reţea de senzori, numărul de noduri per suprafaţă unitară (densitatea reţelei)

poate varia considerabil. Aplicaţii diferite vor avea diferite densităţi ale nodurilor amplasate. Chiar în cadrul aceleiaşi aplicaţii densitatea poate varia spaţial şi temporal din cauza pierderii sau mutării de noduri. În plus, reţelele sunt rareori omogene, (din cauza amplasării imperfecte) şi trebuie să se adapteze la asemenea variaţii.

ProgramabilitateÎntr-o reţea de senzori, fiecare nod trebuie să fie capabil să proceseze informaţia

primită şi să reacţioneze flexibil la schimbări în sarcinile pe care trebuie sa le îndeplinească. Nodurile trebuie să fie programabile, iar programul să poată fi schimbat în timpul funcţionării când o altă sarcină capătă o prioritate mai mare. Este insuficient un mod fix de procesare a informaţiei.

MentenabilitateDeoarece mediul în care o reţea funcţionează se schimbă, şi deasemenea şi

topologia este susceptibilă la schimbări (baterii descărcate, noduri care cedează, sarcini noi). Sistemul trebuie să se adapteze, să fie capabil sa-şi monitorizeze starea şi să schimbe parametrii operaţionali în consecinţă (de exemplu să scadă calitatea când bateriile se apropie de epuizare). În această optică, reţeaua trebuie să fie capabilă de auto-întreţinere, eventual să fie capabilă să interacţioneze cu sisteme externe de întreţinere pentru a-şi asigura o funcţionare pe o perioadă cât mai extinsă pentru un nivel impus al calităţii.

1.4.2 Mecanisme necesare

Pentru a realiza aceste cerinţe este nevoie de protocoale de comunicaţie şi de arhitecturi noi. O problemă dificilă o constituie necesitatea identificării de structuri suficient de specifice unei aplicaţii particulare din perspectiva QoS, durată de viaţă şi mentenabilitate dar şi suficient de flexibile pentru a putea fi generalizate de o gama mai largă de sisteme, altfel va fi necesară proiectarea individuală pentru fiecare aplicaţie în parte – ceea ce ar face reţelele de senzori impractice economic.

16

Câteva din mecanismele necesare de a fi implementate în mod tipic din reţelele de senzori sunt:

Comunicaţii fără fir cu salt multipluCu toate că transmisiunile fără fir vor constitui nucleul nodurilor, comunicaţia

directă între sursă şi destinaţie este confruntată de limitări. Transmisiunile pe distanţe lungi, în particular, au necesităţi energetice prohibitive. Utilizarea de noduri intermediare ca relee poate reduce semnificativ consumul total de putere, prin urmare comunicaţiile tip releu sunt un ingredient necesar în majoritatea reţelelor de senzori fără fir (în special în cele care folosesc undele radio pentru transportul informaţiei).

Funcţionare eficientăPentru a avea un ciclu de funcţionare cât mai lung, o tehnică esenţială este

funcţionarea eficientă din punct de vedere energetic. Se vizează atât includerea transportului eficient între două noduri (J/bit) cât şi aflarea eficientă a rezultatului în urma unei interogări. Este de asemenea o problemă apariţia consumului neomogen în interiorul unei reţele.

AutoconfigurareaO reţea de senzori trebuie să fie capabilă sa îşi configureze majoritatea

parametrilor operaţionali în mod autonom (în special datorită numărului mare de noduri care sunt folosiţi de majoritatea aplicaţiilor). Reţeaua trebuie să fie tolerantă la defectări, şi să fie capabilă să integreze noduri noi în topologie, dacă acestea sunt introduse pentru a compensa nodurile ieşite din uz.

Colaborare şi procesare în interiorul reţeleiÎn unele cazuri, un singur senzor nu este suficient pentru a decide dacă un

eveniment a avut sau nu loc. Este nevoie ca mai multe noduri să colaboreze pentru detecţie, pentru că numai totalul informaţiilor este suficient, după procesarea acestora în interiorul reţelei. În astfel de cazuri acest mod este mai eficient decât transmiterea de către fiecare nod a informaţiilor colectate într-un punct de procesare din exteriorul reţelei.

Un exemplu concludent este determinarea temperaturii maxime (sau medii) dintr-o zonă şi raportarea acesteia centrului de colectare. Pentru a rezolva eficient această sarcină, datele de la fiecare senzor pot fi agregate în timp ce se propagă prin reţea, reducând dimensiunea informaţiei ce trebuie transmisă şi îmbunătăţind eficienţa energetică.

Centralizarea datelorReţelele tradiţionale de date sunt în general construite în jurul transferului de

informaţii între două echipamente specifice, fiecare având cel puţin o adresă de nivel reţea, funcţionarea acestor echipamente fiind astfel legată de adresă. Într-o reţea de senzori fără fir, în care nodurile sunt în general amplasate pentru a oferi redundanţă (pentru a proteja reţeaua de pierderea unui număr de noduri) sau pentru a compensa calitatea redusă/rezoluţia slabă a senzorilor ce deservesc un singur nod, identitatea punctuală a nodului de la care originează informaţia devine irelevantă. Sunt importante răspunsurile şi valorile oferite de reţea, nu identitatea echipamentului care le-a furnizat.

17

Este deci important să se considere o programare bazată pe centralizarea datelor, nu a adreselor.

Un exemplu de interacţiune centralizată a datelor este o cerere de a se afla temperatura medie a unei zone date, şi nu adresarea de cereri către fiecare nod individual de a raporta temperatura locală. Astfel de paradigmă poate fi întrebuinţată pentru a seta condiţii de alarmă (crează o alarmă dacă temperatura depăşeşte un prag). După cum se poate vedea, centralizarea datelor e înrudită cu conceptele de interogare ale bazelor de date. Funcţionează bine în medii colaborative (cu procesare în interiorul reţelei) şi cu agregarea.

LocalizareaAcesta este mai degrabă un ghid de proiectare. Principiul localizării este

important pentru a asigura scalabilitatea reţelei. Nodurile, care au în general resurse foarte limitate (de exemplu de memorie), trebuie să îşi limiteze acumularea de informaţii din timpul rulării algoritmilor de reţea numai la nivelul vecinilor direcţi. Astfel se speră că o reţea poate creşte fără ca nodurile să aibă nevoie de o putere sporită de procesare pentru a utiliza tabelele de rutare. Este un subiect deschis de cercetare îmbinarea acestui principiu cu protocoale eficiente.

Funcţionare speculativăSimilar cu principiul localizării, reţelele de senzori trebuie să se bazeze pe

exploatarea diverselor posibilităţi ce apar între necesităţi contradictorii, atât în timpul proiectării sistemului/protocolului cât şi la rulare. Exemple de asemenea exploatări au mai fost menţionate anterior în lucrare: un consum ridicat de energie ce permite rezultate de precizie mai bună, sau viaţa mai lungă a reţelei în schimbul unei precizii mai proaste. Un alt factor ce se poate specula este densitatea nodurilor: depinzând de aplicaţie, amplasare şi pierderea de noduri la rulare, densitatea reţelei se poate schimba considerabil. În aceste condiţii, protocoalele implicate vor trebui să facă faţă unor situaţii foarte diferite, prezente în locaţii diferite într-o singură reţea.

Exploatarea acestor mecanisme într-un mod care le face uşor de aplicat şi totuşi suficient de generale se poate realiza doar prin desprinderea de paradigmele obişnuite ale programării centrate pe adresă şi abandoanarea conceptelor interfeţei (socket) convenţionale în favoarea conceptelor data centrice: precizie cerută, funcţionare speculativă energie/precizie etc.

18

2. ARHITECTURA REŢELELOR DE SENZORI

2.1 Componentele hardware ale unui nod

Alegerea componentelor hardware pentru un nod al unei reţele fără fir de senzori este determinată decisiv de tipul aplicaţiei pentru care nodul este proiectat. Factorii decisivi sunt în general dimensiunea, costul şi consumul de energie – facilităţile de calcul şi comunicaţie sunt deseori considerate de o calitate suficientă, dar compromisurile între cost şi ceea ce poate executa nodul sunt cruciale. În unele cazuri extreme, un nod senzor complet echipat trebuie sa fie mai mic de 1 cc, sa cântărească mai puţin de 100 grame, să fie foarte ieftin şi să disipe mai puţin de 100μW.

Un nod senzor elementar este constituit din următoarele 5 componente de bază:Controller: un controller pentru a procesa toate informaţiile relevante, capabil să

execute cod arbitrar;Memorie: pentru stocarea codului sistemului de operare si diferite alte date. În

general se utilizeaza tipuri diferite de memorie pentru programe şi date Flash(NVRAM)/RAM;

Senzori/actuatoare: interfaţa cu spaţiul fizic, dispozitive care pot observa sau controla parametri fizici ai mediului;

Sistemul de comunicaţie: transformarea nodurilor independente intr-o reţea necesită un dispozitiv pentru transmiterea şi recepţia de informaţii peste un canal radio/optic/acustic;

Sursa de alimentare: de obicei nu există o sursă constantă de alimentare, trebuie utilizate baterii pentru furnizarea energiei necesare. În unele cazuri este disponibilă o modalitate de reîncărcare a acestora ( celule fotovoltaice).

19

F

ig. 1 Structura de bază a unui nod senzor

Fiecare din aceste componente esenţiale trebuie să funcţioneze prin echilibrarea compromisurilor între consumul minim posibil şi îndeplinirea funcţiunilor. Este recomandabil ca sistemul de comunicaţii şi controllerul să fie oprite cât mai mult timp posibil, şi să fie reactivate pe baza unui temporizator pre programat. Alternativ, senzorii pot fi programaţi să genereze o întrerupere la apariţia unui eveniment.

În continuare vor fi prezentate pe scurt câteva detalii despre structura hardware, pentru a se evidenţia combinaţiile posibile de interconectare între subansamblele unui nod senzor.

2.1.1 ControllerulControllerul este nucleul oricărui nod de senzori fără fir. Colectează date de la

senzori, le procesează, decide când şi unde să o trimită, primeşte date de la alte noduri şi decide răspunsul actuatorului. Trebuie să execute diferite instrucţiuni, variind de la procesare de semnal în timp real şi protocoale de comunicaţie până la executarea programelor aplicaţie. Această diversitate de instrucţiuni pot fi executate cu diferite arhitecturi, fiecare cu compromisurile specifice între cost, performanţă, flexibilitate şi eficienţă energetică. Vom analiza diferitele arhitecturi posibile, pentru a alege gama mai avantajoasă:

O soluţie este utilizarea unui procesor de uz general. Acestea consumă în general prea multă putere pentru a fi o soluţie viabilă. Există însă procesoare mai simple, pentru sisteme embedded, numite în mod uzual microcontrollere.

Caracteristici cheie ale microcontrollerelor: sunt adecvate microsistemelor de operare deoarece se pot interconecta uşor cu alte dispozitive (cum ar fi senzorii), setul de instrucţiuni este compatibil cu instrucţiunile în timp real necesare pentru procesarea de semnal şi au în general un consum redus. De cele mai multe ori au o cantitate de memorie inclusă pe pastilă şi sunt liber programabile, ceea ce le face foarte flexibile. O caracteristică foarte importantă pentru reţelele de senzori este posibilitatea acestora de a

Memorie

Sistem de comunicaţie Controller

Traductor/Actuator

Sursă de alimentare

20

intra în stări de repaos, în care numai părţi ale controllerului rămân active. Diferenţa principală faţă de procesoarele de uz general constituie şi dezavantajul principal, şi anume lipsa unităţii de management a memoriei.

Un alt tip de procesor ce ar putea fi folosit este cel de semnal. Într-o retea de senzori, nodul ar putea folosi un DSP pentru a extrage şi procesa date venind de la un dispozitiv analogic de comunicaţii. În cazul unei reţele de senzori, cerinţele sunt de obicei mult mai modeste (modulaţii simple, ce pot fi realizate eficient de hardware specalizat), aşa că în general proprietăţile unui DSP nu sunt necesare şi nu se utilizează.

Altă opţiune este utilizarea unor circuite specializate, cum ar fi FPGA-urile sau ASIC-urile. Un circuit FPGA poate fi reprogramat (reconfigurat) de la distanţă pentru a se adapta unui set schimbat de instrucţiuni, dar acest lucru necesită timp şi energie – este nepractică reprogramarea unui FPGA la aceeaşi frecvenţă la care un microcontroller ar schimba programe diferite. ASIC-ul este un circuit specializat, proiectat la comandă pentru o aplicaţie anume, de cele mai multe ori în telecomunicaţii se folosesc pentru procesarea foarte intensă necesară ruterelor sau switchurilor la luarea deciziilor de transmitere a cadrelor. Compromisul în această situaţie este pierdera flexibilităţii în favoarea performanţei şi funcţionării eficiente. Privind din punctul de vedere al dezvoltării, microcontrollerul necesită scrierea de soft adecvat, ASIC-urile reproduc aceleaşi funcţionalităţi hardware, deci costul dezvoltării este sensibil mai mare.

În cazul unei reţele de senzori dedicată, în care nodurile senzor pot funcţiona fără o reprogramare ulterioară şi unde numărul de noduri e suficient de mare pentru a motiva investiţii în dezvoltarea de ASIC-uri, acestea reprezintă o soluţie superioară. Cu toate acestea, majoritatea soluţiilor constructive sunt cu microcontroller în stadiul curent de dezvoltare al reţelelor de senzori fără fir, pentru simplitatea în utilizare. Constituie o temă deschisă de cercetare dezvoltarea unor circuite specializate, care execută instrucţiuni optimizate pentru funcţionarea unei astel de reţele.

Exemple de microcontrollere utilizate în diverse aplicaţii WSN: Texas Instruments MSP 430 (nucleu RISC pe 16 biţi, 4MHz, on-chip RAM 2-10kB, ceas propriu, mai multe CAN pe 12 biţi); Atmel Atmega.

2.1.2 Memoria Se folosesc mai multe tipuri de memorie în construcţia unui nod senzor. RAM-ul

este o componentă absolut necesară pentru stocarea intermediară a citirilor de senzor, tratarea pachetelor de la nodurile vecine etc. Codul sistemului de operare se stochează pe o memorie nevolatilă, de exemplu ROM, sau memorii reinscriptibile electric, cum ar fi EEPROM-urile sau memoria Flash. Memoria Flash poate fi folosită şi pentru extensia spaţiului pentru tratarea datelor, dacă RAM-ul devine insuficient, dar trebuie să se ţină cont de latenţele relativ mari la scriere, şi de consumul mare al acestora.

Este crucială în proiectare dimensionarea corectă a memoriei, în special a celei RAM, atât pentru optimizarea costurilor de producţie, cât şi pentru reducerea consumului. De cele mai multe ori însă, memoria necesară este dependentă de tipul de aplicaţie.

21

2.1.3 Sistemul de comunicaţieDeşi cea mai mare parte a cercetărilor în domeniul sistemelor de comunicaţii s-au

concentrat pe folosirea comunicaţiei radio, există şi alte optiuni luate în considerare, cum ar fi cele optice şi prin ultrasunete (precum şi cuplajul inductiv în cazul raspândit, dar nepretenţios al markerilor RFID).

Sistemul de comunicaţie optic a fost luat în considerare datorită consumului extrem de mic de energie per bit de informaţie transmis, atât la generare cât şi la detecţie (LED-urile sunt bune exemple de emiţătoare de mare eficienţă) circuitistica necesară pentru un transceiver optic este mai simplă şi dispozitivul per ansamblu poate fi mai mic decât dacă ar fi realizat cu transceiver radio. De asemenea, pot avea loc comunicaţii concurente, cu un nivel neglijabil al interferenţelor. Dezavantajul evident este necesitatea vizibilităţii directe între vecinii primari. Conexiunea optică este deasemenea mult mai sensibilă la factorii de mediu.

Sistemul de comunicaţie prin ultrasunete a fost luat în considerare pentru secnarii în care transmisiunile optice sau radio sunt imposibile (pentru ca undele electromagnetice nu pot traversa respectivul mediu) sau impractice din cauza consumului mare de energie necesar. Un astfel de mediu este apa, iar un scenariu aplicabil îl constituie supravegherea eroziunii platformei marine pentru a ajuta la construirea de centrale eoliene maritime. Senzorii sunt amplasaţi pe platforma continentală şi trebuie să comunice. În mediul subacvatic, ultrasunetele reprezintă un mediu atractiv de comunicaţie, deoarece unda poate strabate distanţe relativ mari pentru un consum redus de putere.

Sistemele de comunicaţie în radio frecvenţă sunt cele mai utilizate în domeniul senzorilor wireless. Acestea oferă o rază de acţiune relativ mare şi rate de transfer mari, o rată acceptabilă a erorilor şi un consum rezonabil de putere. Cel mai important, nu necesită vizibilitate directă între emiţător şi receptor. În continuarea lucrării, ne vom apleca numai asupra comunicaţiilor în radio frecvenţă.

Pentru ca sistemul să fie practic, frecvenţa purtătoare trebuie aleasă într-un domeniu neocupat, în care să nu fie susceptibilă interferenţelor cu alte sisteme de radiocomunicaţii terestre sau spaţiale (puterea de zgomot pe care o pot induce aceste reţele în sistemele de comunicaţii radio sunt neglijabile). În general, frecvenţa de operare se alege între 433MHz -2.4GHz.

Dispozitivul uzual de comunicaţie este un transceiver, funcţionând half duplex, deoarece de cele mai multe ori transmisia şi recepţia simultană nu este practică, receptorul prinzând în cele mai multe cazuri transmisiunea propriului emiţător.

Carcateristicile de care trebuie să se ţină cont la alegerea unui dispozitiv convenabil sunt:

- Serviciile către layer-ul succesor: un receptor trebuie să ofere anumite servicii nivelelor următoare, în special Mediul de Control al Accesului (MAC), mai precis sa permită nivelului MAC să transmită cadre şi să ofere acestuia, în buffere accesibile, datele primite. Câteodată transceiverul este orientat spre oferirea de pachete, octeţi sau chiar biţi către interfaţa cu microcontrollerul.

- Consumul şi eficienţa energetică: pentru a fi apte să funcţioneze într-o reţea de senzori, transceiverul trebuie să necesite o energie cât mai mică pentru transmiterea unui bit. Deasemenea, este important să poată trece în stări de repaus alternativ cu stări de activitate. Consumul în starea de hibernare şi energia necesară saltului între cele două stări trebuie să fie cât mai redus.

22

- Frecvenţa purtătoarei/canale multiple: este de multe ori de dorit ca transceiverul să poată alege între mai multe frecvenţe (canale), pentru a elimina în caz de necesitate o eventuală congestie în reţelele dense. Astfel de canale sunt relevante pentru anumite protocoale MAC – FDMA sau tehnici CSMA/Aloha multicanal.

- Rata de transmisie: valorile tipice pentru aceste dispozitive sunt de ordinul zecilor de kilobiţi pe secundă, mult inferior vitezei oferite de reţelele de bandă largă, dar de obicei suficiente pentru o WSN. Se poate varia rata de transmisie, schimbând felul modulaţiei sau rata simbolurilor.

- Tipul de modulaţie: tipic, acest tip de transceivere suportă unul sau mai multe din următoarele tipuri de modulaţie: OOK, ASK, FSK şi similare. Dacă transceiverul oferă mai multe moduri de modulaţie, se poate observa experimental care din ele dă rezultatele cele mai bune în condiţiile aplicaţiei. Este impractică însă comutarea tipului de modulaţie în cazul amplasării concrete.

- Codarea: unele transceivere perimt selectarea unor moduri de codare.- Controlul puterii de transmisie: uzual, un număr discret de niveluri de putere

sunt disponibile spre selecţie prin intermediul transceiverului sau a unui regulator auxiliar. Puterea maximă la emisie se stabileşte prin standarde naţionale şi internaţionale.

- Zgomotul propriu: NF(dB) = SNR(in)/SNR(out), descrie degradarea raportului semnal-zgomot la trecerea prin element. Este de dorit să fie cât mai mic realizabil cu menţinerea unui cost rezonabil.

- Câştigul: sunt preferate amplificatoarele cu câştig mare, pentru a face faţă eficient din punct de vedere energetic.

Alte caractersitici la fel de importante ce se pot menţiona sunt: sensibilitatea receptorului, raza de funcţionare (tipic de ordinul metrilor/sutelor de metri), performanţa la blocarea unei interferenţe pe canal vecin, emisiunea în afara benzii proprii cât mai mici, stabilitate în frecvenţă şi funcţionarea corectă pentru o gamă cât mai largă de tensiuni de alimentare.

Transceivere adecvate pentru reţelele de senzori fără fir sunt disponibile la mulţi producători. De cele mai multe ori, producătorul oferă o gama diversă a aceluiaşi produs, optimizat pentru a satisface legislaţiile diferite de alocare a frecvenţelor în Europa şi America de Nord. Dintre produsele disponibile şi larg utilizate pe piaţa de profil amintim: RFM TR 1001 (prods de RF Monolithics, disponibil în variante de 916 şi 868 MHz, canalul este de 400kHz centrat la 916,5MHz, oferă comunicaţii pe distanţe scurte de până la 115.2kbps, foloseşte ca metode de modulaţie OOK sau ASK, puterea de ieşire poate fi modificată dinamic si puterea maxim radiată este 1.5dBm la 1.4mW); Chipcon CC1000/CC2420 (CC1000 operează în banda 300-1000MHz, selectabil în paşi de 250kHz, utilizează FSK ca metodă de modulaţie, are puterea de transmisie ajustabilă dinamic şi prezintă compensare pentru driftul termic al cristalului de cuaţ. Poate fi folosit de protocoalele ce utilizează saltul în frecvenţă. CC2420 implementează un layer fizic compatibil cu standardul IEEE 802.15.4 la protocolul MAC, funcţionează în banda de 2.4 GHz şi utilizează un modem DSSS, având o rată de transmisie de 250kbps, la un consum rezonabil de putere); Infineon TDA 525x, Ember EM2420, Connexant RdSSS9M, National Semiconductor LMX3162.

Uzual, transceiverele se compun din două blocuri principale: blocul de radiofrecvenţă şi procesorul în bandă de bază. Blocul RF execută procesarea

23

Blocul RF

Interfaţa de antenă

LNA

AP

Conversie frecvenţă

Sch. de frcv şi procesare digitală

semnalului analogic în banda radio, iar blocul digital realizează procesarea semnalului în domeniul digital şi comunică cu procesorul nodului şi cu echipamentele digitale auxiliare.

Între cele două blocuri are loc schimbarea de frecvenţă, directă sau prin una sau mai multe schimbări intermediare. O serie de CAN/CAN fac trecerea între zona digitală şi cea analogică.

O analiză detaliată a blocului RF se poate gasi în [9]. În această lucrare vom aminti numai câteva elemente constitutive importante. Blocul execută operaţiunile în banda radio, de exemplu în banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2.4GHz. o schemă de principiu se poate gasi mai jos:

24

Fig. 2 Blocul de RF

Amplificatorul de putere (AP) primeşte semnal de la blocurile de schimbare intermediară a frecvenţei şi îl amplifică pentru a putea fi transmis prin antenă;

Amplificatorul de zgomot redus (LNA) amplifică semnalul recepţionat la un nivel la care poate fi procesat fără a-i degrada semnificativ raportul semnal-zgomot (RSZ). Gama de puteri recepţionate variază de la puteri mici, recepţionate de la nodurile aflate aproape de ieşirea din raza de acoperire până la puteri semnificative de la nodurile apropiate. Această gamă poate fi până la 100dB. Fără a se implementa măsuri de control al activităţii amplificatorului, acesta este activ permanent, crescând semnificativ consumul energetic;

Oscilatorul local, oscilatoare controlate în tensiune şi mixere sunt utilizate pentru conversia frecvenţei din spectrul radio în banda de bază şi reciproc. Depinzând de structura blocului de RF, se pot gasi elemente suplimentare de filtrare.

Se pot distinge patru stări operaţionale ale transceiverului: Transmisie: în această stare, emiţătorul este activ; Recepţie: în această stare, receptorul este activ; Inactiv: un transceiver gata de recepţie, care nu primeşte momentan date, şi nu

detectează o purtătoare e în stare inactivă. În această stare se opresc unele circuite din blocul de recepţie, pentru conservarea energiei (de exemplu, în blocul de sincronizare, elementul de achiziţie e activ, dar blocul de urmărire poate fi dezactivat până la achiziţia unui semnal);

Hibernare: în starea de hibernare, o parte semnificativă a transceiverului este dezactivată. Echipamentele existente pe piaţă diferă prin numărul de circuite oprite pentru conservare de energie şi astfel prin timpii asociaţi de repornire şi consumul energetic aferent. Spre exemplu, în cazul unei dezactivări totale, costurile de restartare include iniţializarea completă precum şi configurarea interfeţei radio.Stiva de protocoale configurată pe nodul senzor trebuie să decidă în ce stare se va

afla transceiverul, în concordanţă cu necesitatea anticipată de a comunica. O problemă ce complică decizia este faptul că însuşi schimbările de stare consumă energie. Un transceiver ce reporneşte consumă timp şi energie pentru resincronizarea PLL-urilor sau a VCO-urilor. Planificarea stărilor nodului (managementul energetic) este deosebit de complicată şi este tratată în detaliu în [10],[11].

2.1.4 Senzori şi actuatoriSenzorii se pot clasifica în trei categorii distincte [12]:

Senzori pasivi, omnidirecţionali: măsoară o mărime fizică în proximitatea nodului senzor, fără o manipulare a mediului prin sondare activă. Unele tipuri de senzori se auto-alimentează din mediul înconjurător (nu se foloseşte energie decât pentru amplificarea semnalului analogic). Nu există o notiune de direcţie asociată unor astfel de măsurători. Senzori tipici includ: temperatură, lumină, vibraţie, sunet, umiditate, tensiune mecanică, senzori chimici, sensibili la clase de substanţe, detectori de gaze, presiune etc;

25

Senzori pasivi direcţionali: deşi sunt pasivi, au o caracteristică de directivitate. Un exemplu tipic este o cameră foto/video, care poate efectua măsurători într-o direcţie bine stabilită, dar nu îşi poate schimba poziţia;

Senzori activi: sondează în mod activ mediul, generând unde electromagnetice (radar), acustice (sonar) sau chiar unde de şoc (unele tipuri de senzori seismici)Senzorii descrişi sunt disponibili în multe variante, cu avantaje şi dezavantaje

particulare. Compromisurile ce se pot evidenţia sunt: precizia, durabilitatea, consumul de energie, costul şi dimensiunea. Per ansamblu, cea mai mare parte a cercetării efectuate pe reţelele de senzori ia în considerare numai senzorii pasivi omnidirecţionali, celelalte tipuri de senzori fiind tratate foarte sumar în literatura de specialitate.

Fiecare nod senzor are o arie proprie de acoperire, pentru care poate raporta cu o precizie prestabilită rezultate ale măsurătorilor mărimii fizice. S-au dezvoltat mai multe modele de detecţie, ce analizează distanţa dintre un senzor şi un eveniment potenţial şi probabilitatea de detecţie. Un exemplu de astfel de model este menţionat în [13]. Ipoteza acoperirii, deşi dificil de justificat în forma sa cea mai simplă, are totuşi utilitate practică, considerând variaţia unor marimi fizice măsurabile în raport cu distanţa (de exemplu temperatura sau presiunea aerului variază lent şi este deci posibil să calculăm o astfel de arie de acoperire a senzorului în interiorul căreia considerăm datele furnizate ca suficiente). Instrumentele matematica utilizate pentru aceste modele sunt versiuni spaţiale ale teoremelor de eşantionare.

Actuatorii sunt la fel de diversificaţi ca şi senzorii, dar pentru scopurile generale în cadrul unei reţele de senzori sunt de obicei mai simpli. În principiu, funcţiunile unui nod cu actuator este limitat la închiderea şi deschiderea unui comutator sau releu, sau la setarea unei valori în mod mecanic. Fie că se controlează un motor, un sistem de iluminare sau alt dispozitiv, acest lucru nu afectează modul de proiectare al protocolului de comunicaţie, deci nu vom extinde mai departe tratarea acestora.

Este important de menţionat că într-o reţea reală trebuie să se ţină cont de problemele pe care le pun diferitele tipuri de actuatori şi recomandarea generală în proiectarea sistemelor integrate este asocierea unui actuator cu un senzor de control.

2.1.5 Alimentarea nodurilor senzorSursa de alimentare pentru nodurile ce nu pot fi conectate la o reţea de distribuţie

este crucială. Se identifică două aspecte esenţiale: stocarea energiei şi livrarea de putere în forma cerută şi reîncărcarea acumulatorilor prin recuperarea de energie din mediul înconjurător.

Sursa de alimentare a unui nod e constituită în mod tradiţional de o baterie, fie una primară, nereîncărcabilă, şi eventual una secundară, reîncărcabilă, dacă un dispozitiv de recuperare de energie din mediu este prezent.

Bateriile sunt o formă de stocare electrochimică a energiei, substanţele utilizate fiind factorul determinant al tehnologiei bateriilor. Se impun condiţii foarte dure de realizare, pentru atingerea unor performanţe deosebite:

Capacitatea: bateriile utilizate trebuie sa aibă o capacitate mare cu un volum cât mai mic, şi un preţ redus. Principala metodă de evaluare este energia disponibilă per volum, J/cm3. Tabelul 1 prezintă câteva valori tipice pentru baterii

26

macroscopice. Sunt în curs cercetări pentru baterii microscopice, cu sursa electrochimică depozitată direct pe pastila chipului;

Capacitatea sub sarcină:bateriile trebuie să poată susţine diverse curbe de utilizare, deoarece un nod senzor consumă cantităţi diferite de energie pe parcursul stărilor de funcţionare, existând moduri specifice care necesită un curent de intensitate mare. Consumul de curent e dificil de prezis, dar se poate considera faptul că o baterie mai mare poate livra mai multă putere instantanee. Capacitatea specificată de producător este validă cât timp curenţii maximi de descărcare nu sunt depăşiţi;

Descărcarea proprie: bateriile speciale trebuie să aibă o rată proprie de descărcare mică şi o durată de viaţă cât mai mare (din această cauză, bateriile Aer-Zinc nu sunt atractive, cu toate că posedă o densitate energetică mare);

Reîncărcare eficientă: reîncărcarea trebuie să fie eficientă chiar la curenţi de încărcare slabi şi intermitenţi, iar bateria trebuie să nu manifeste efecte de memorie. Unele modalităţi de recuperare energetică nu pot produce decât curenţi în regiunea microamperilor, tehnologia actuală de producere a bateriilor nu poate asigura încărcarea în această regiune;

Relaxare: efectul de relaxare, ce mimează apariţia unei sarcini într-o baterie descărcată este produs de difuzia chimică în interiorul celulei. Dacă aces efect este utilizat corect, se poate extinde considerabil durata de viaţă a bateriei, prin utilizarea în paralel a mai multor surse de alimentare.Tabelul de mai jos prezintă câteva valori uzuale pentru diferitele combinaţii de

electroliţi:

Baterii primare Zinc-Aer Litiu AlcalinEnergie chimică

(J/cm3) 3780 2880 1200

Baterii secundare Litiu NiMHd NiCdEnergie chimică

(J/cm3) 1080 860 650

Tabel 1 Densităţi energetice pentru diverse tipuri de baterii primare şi secundare

Surse de energie neconvenţionale: pe lângă alimentarea furnizată de baterii s-au luat în considerare diverse metode auxiliare de obţinere a energiei. Celulele de combustibil pot produce energie electrică prin oxidarea hidrogenului sau a hidrocarburilor. E important de considerat că celulele de combustibil au în general densităţi foarte mari de energie electrochimică (de ex. metanolul contine 17.6kJ/cm3). Din păcate, metodele actuale de obţinere a energie se bazează pe sisteme a căror dimensiune nu este deloc neglijabilă. Miniaturizarea unei turbine la un nivel convenabil reprezintă un efort considerabil de cercetare, pentru outputuri prezise de 0.1-10W pentru un volum ocupat de 1cc. Ca surse alternative a fost propusă şi utilizarea substanţelor radioactive precum şi condensatoarele de

27

mare capacitate şi calitate din aur, ce pot stoca cantităţi mari de energie, pot fi uşor încărcaţi şi nu se uzează cu uşurinţă.

Un rol important în funcţionarea eficientă a unui senzor îl are conversia CC-CC. Aceasta este utilizată pentru rezolvarea descărcării neliniare a bateriei. Pe măsură ce voltajul debitat de baterie scade, din ce în ce mai puţină putere este livrată circuitelor, cu consecinţe immediate asupra frecvenţelor produse de oscilator şi cu o putere de emisie mai mică, raza acestuia scăzând odată cu descărcarea bateriei.

Un convertor în curent continuu poate rezolva aceste probleme reglând tensiunea livrată circuitelor nodului. Pentru a obţine o tensiune constantă pe măsură ce capacitatea bateriei scade, convertorul trebuie să preia curenţi cu o intensitate crescută, pe măsură ce bateria se consumă, accelerând astfel consumul. În plus, convertorul consumă el însuşi curent, scăzând eficienţa de ansamblu. Avantajul este însă funcţionarea predictibilă pe durata unui ciclu de viaţă determinabil.

Majoritatea surselor de energie ce pot fi utilizate de un senzor se bazează pe convertirea unei forme secundare stocate în energie electrică. Sursa de energie e stocată în interiorul nodului. Când sursa se epuizează, nodul cedează.

Pentru a asigura noduri cu o durată de viaţă mare, sunt innaceptabile soluţiile a căror sursă de energie se epuizează repede. Este de preferat ca mediul înconjurător să poată fi folosit în alimentarea nodului, prin recuperare de energie. Există mai multe abordări, descrise pe larg în [14, 15]:

Pile fotovoltaice: celulele de acest tip pot fi utilizate pentru alimentarea nodurilor senzor. Puterea disponibilă este dependentă de plasarea în interior sau în exterior a nodurilor, precum şi de momentul temporal şi climatul în care sunt utilizaţi. Puterea utilizabilă este situată în intervalul 10μW/cm2 – 15mW/cm2. Celulele ating o tensiune destul de stabilă de 0.6V cât timp curentul de descărcare nu atinge o valoare limită, care este dependentă, printre altele, de intensitatea luminoasă. Prin urmare, celulele fotovoltaice se utilizează în principal la reîncărcarea bateriilor secundare.

Gradienţi de temperatură: diferenţele de temperatură pot fi direct convertite în energie electrică. În teorie, se pot obţine rezultate bune şi dintr-o diferenţă de 0.5K, dar în prcatică rezultatele sunt limitate de eficienţa Carnot. Sunt disponibile generatoare termoelectrice pe baza efectului Seebek, care pot produce 80μW/cm2 la 1V pentru o difernţă de 5K.

Vibraţii: sunt o formă aproape omniprezentă a energiei mecanice. Clădirile vibrează din cauza traficului, sistemele mecanice prezintă uzual vibraţii de joasă frecvenţă, sistemele de ventilaţie produc deasemenea vibraţii. Energia disponibilă varfiază de la 0.1μW/cm3 la 10000μW/cm3, în cazuri extreme. Convertirea vibraţiilor în energie electrică este facilă, prin mai multe metode disponibile: electrostatic, electromagnetic şi piezoelectric. Dispozitive realizabile practic de 1cm3 pot produce 200μW/cm3, sursele de vibraţie de 120Hz s-au dovedit suficient de puternice pentru a alimenta emiţătoare radio simple. Un exemplu de dispozitiv cu condensator variabil este reprodus în figura de mai jos.

28

Fig. 3 Dispozitiv MEMS pentru conversia vibraţiei în energei electrică bazat pe un condensator variabil

Variaţii de presiune: se folosesc deja dispozitive de conversie bazate pe efectul piezoelectric, ce pot produce în medie 330 μW/cm3, dar nu s-a putu găsi o soluţie viabilă de integrare într-o reţea de senzori.

Tabelul 2 prezintă o scurtă comparaţie a surselor de energie şi a eficienţei acestora. Valorile sunt orientative, datorită tehnologiilor seminificativ diferite utilizate pentru a obţine energie.

Sursa de energie Densitatea energeticăBaterii(Zinc-Aer) 1050-1560 mWh/cm3

Baterii(Litiu, reîncărcabile) 300 mWh/cm3

Lumină (exterior – soare) 15 mW/cm2

Lumină (exterior – noros) 0.15 mW/cm2

Lumină (interior – std) 0.006 mW/cm2

Lumină (interior – <60W) 0.57 mW/cm2

Vibraţii 0.01-0.1 mW/cm3

Zgomot acustic (75dB) 0.000003 mW/cm2

Zgomot acustic (100dB) 0.000096 mW/cm2

Reacţie nucleară 80 mW/cm3, 1000000 mWh/cm3

Tabel 2 Comparaţia eficienţei surselor energetice

29

După cum se poate observa, recuperarea energiei este ineficientă în acest stadiu, şi nu poate fi utilizată decât cu surse secundare de alimentare, deoarece nu pot oferi o reîncărcare constantă şi neîntreruptă. Acest aspect necesită circuite suplimentare pentru a regulariza fluctuaţiile, precum şi baterii reîncărcabile la curenţi mici. O abordare alternativă a fost propusă de Kansal şi Srivastava [16], ce constă în proiectarea de protocoale şi algoritmi care să ţină cont de caracteristicile procesului de reîncărcare în modelarea instrucţiunilor şi stărilor reţelei de senzori.

2.2 Sisteme de operare şi medii de execuţie

Sarcinile convenţionale ale unui SO sunt controlul şi protecţia resurselor şi managementul alocării acestora utilizatorilor, precum şi suport pentru execuţia mai multor procese în paralel şi comunicarea între procese concurente.

Un SO proiectat pentru o WSN trebuie să suporte nevoile specifice ale unui astfel de sistem integrat: execuţie eficientă energetic, ce necesită management energetic (suport pentru DVS –Dynamic Voltage Scaling). Componentele externe (senzorii, modemul radio, etc.) trebuie tratate eficient şi cu uşurinţă, în particular informaţiile asincrone.

Există trei moduri de elaborare a modelului de programare, pentru a rezolva problema concurenţei proceselor:

Programarea secvenţială: un sistem secvenţial preia procesele într-o manieră neadecvată pentru un sistem de senzori: interoghează senzorul pentru a decide dacă sunt disponibile date, procesează datele imediat, interoghează transceiverul pentru a decide dacă un pachet e disponibil, procesează pachetul şamd. Astfel de proces prezintă riscul de a permite pierderii de date cât timp alt pachet este procesat sau pierderii de pachete, când se procesează datele de la senzor. Acest risc devine semnificativ când procesarea de date este laborioasă, sau numărul de pachete primit este mare. În concluzie, modelul secvenţial de programare nu este convenabil.

Programarea pe procese: majoritatea SO de uz general utilizează acest tip de programare pentru a oferi o execuţie aparent paralelă a unui număr oarecare de procese distincte, prin salvarea acestora în memorie (nu se potriveşte cu memoria foarte limitată a unui nod). Aplicarea acestei tehnici pe un nod de senzor prezintă anumite inconcordanţe: maparea funcţiilor individuale de protocol sau de nivel cu un proces va produce o cantitate mare de date suplimentare la schimbarea de la un proces la altul. Problema devine severă dacă sistemul necesită execuţia de multe instrucţiuni de dimensiuni reduse comparativ cu suplimentul impus, iar acesta este cazul reţelelor de senzori. În concluzie, nici acest mod de programare nu oferă o soluţie optimă.

Programarea bazată pe evenimente: având în vedere că modalităţile consacrate de programare eşuează în cazul reţelelor de senzori, trebuie să ne imaginăm o metodă care să fie conformă cu natura reactivă a reţelelor de senzori şi să o înglobeze în designul SO. În general, sistemul aşteaptă apariţia unui eveniment, cum ar fi apariţia de date la senzor, primirea unui pachet, expirarea unui contor. Un astfel de eveniment este tratat de o secvenţă scurtă de instrucţiuni, care stochează numai informaţia despre apariţia evenimentului şi informaţia necesară (de exemplu valoarea înregistrată de senzor). Procesarea informaţiei priomite nu este efectuată de rutinele de tratare a evenimentului, ci separat, decuplat de secvenţa reală de evenimente.

30

O rutină de tratare a evenimentelor poate întrerupe procesarea oricărui cod normal, şi fiind simplă şi scurtă, poate rula în orice circumstanţă fără să deranjeze codul principal. Rutinele de tratare nu se pot întrerupe unele pe celelalte (din cauza complexităţii tratării stivei), ci sunt executate secvenţial, în ordinea primirii.

Ca o consecinţă, programarea bazată pe evenimente distinge între două contexte diferite: rutinele de tratare a evenimentelor, care au prioritate maximă de execuţie şi procesarea codului normal, care este declanşată de rutinele de tratare.

Acest model de programare este comparabil în unele nivele cu formalisme utilizate în proiectarea protocoalelor şi în programarea paralelă. Oferă avantaje considerabile (în referinţele [17], Li compară performanţa unei astfel de metode, implementate în TinyOS descris pe larg în [18] cu programarea bazată pe procese, pe acelaşi sistem, şi descoperă o performanţă îmbunătăţită cu un factor de 8 şi un consum de energie redus cu un factor de 12).

Figurile de mai jos reflectă modul de funcţionare ale acestor paradigme de programare:

Fig. 4 Modelul de programare secvenţial

31

Fig. 5 Modelul de programare bazat pe procese

Fig. 6 Modelul de programare bazat pe evenimente

SO TinyOS şi limbajul de programare nesC adresează programarea bazată pe evenimente. TinyOS suportă evenimentele introducând conceptul de componente. Acestea conţin informaţiile necasare de stare în cadre, codul program pentru instrucţiuni şi rutine pentru evenimente şi comenzi. Evenimentele şi comenzile sunt schimbate între componente. Componentele se orgaizează ierarhic, de la cele de nivel scăzut (apropiat de planul fizic),până la cele de nivel înalt (nivelul aplicaţie). Evenimentele originează în nivelul fizic şi sunt transmise spre procesare nivelelor superioare.

Procesarea efectivă se produce în instrucţiuni. Acestea trebuie să aibă o finalitate, dar pot fi întrerupte de rutinele de tratare. Avantajul este dat de lipsa necesităţii pentru managementul stivei, precum şi de independenână la cele de nivel înalt (nivelul aplicaţie). Evenimentele originează în nivelul fizic şi sunt transmise spre procesare nivelelor superioare.

Procesarea efectivă se produce în instrucţiuni. Acestea trebuie să aibă o finalitate, dar pot fi întrerupte de rutinele de tratare. Avantajul este dat de lipsa necesităţii pentru managementul stivei, precum şi de independenţa relativă a instrucţiunilor.

32

Arbitrarea între instrucţiuni – mai multe evenimente pot genera mai multe instrucţiuni în aşteptare spre a fi executate – este realizată de un programator FIFO ce închide nodul când nici o instrucţiune nu este lansată în execuţie sau în aşteptare.

Peste sistemul de operare TinyOS au fost dezvoltate o gamă vastă de extensii, protocoale şi aplicaţii. Alte exemple de medii de execuţie pentru WSN sunt: Contiki – vezi [19], care a fost portat pe numeroase platforme şi implementează o stiva TCP/IP redusă, ecos – vezi [20] şi Mantis – vezi [21]

33

3 ARHITECTURA STIVEI DE PROTOCOALE WSN

3.1 Nivelul fizic

Nivelul fizic al nodului senzor este reprezentat de interfaţa dintre nodul senzor şi mediul de transmisiune: transceiverul şi circuitistica aferentă. Cele mai importante obiective ale proiectării la nivel fizic sunt:

- consum scăzut de energie;- consecinţa este putere mică de emisie, deci rază mică a transmisiunii;- utilizare cât mai redusă posibil, majoritatea componentelor sunt închise sau

funcţionând la un nivel de aşteptare în majoritatea timpului;- rată mica de transfer, de ordinul zecilor/sutelor de kbps;- complexitate de implementare şi costuri reduse;- grad scăzut de mobilitate;- dimensiuni mici.În general, cea mai complicată problemă de proiectare a nivelului fizic este

identificarea unei modulaţii şi a unei arhitecturi de transceiver care să fie în acelaşi timp simple şi ieftine, dar în acelaşi timp suficient de robuste pentru a putea oferi serviciul dorit.

Alegerea unei puteri mici la emisie duce la un profil energetic de consum diferit de tehnologiile radio convenţionale. Există trei diferenţe majore, pe care le vom aminti pe scurt:

În prmul rând, energia radiată este slabă (de ordinul a 1 mW). Transceiverul (blocul de RF şi componentele digitale) consumă mai multă energie decât este radiată. Studiile exeprimentale arată pentru un transceiver funcţionând la frecvenţe de 1GHz necesită între 10 şi 100 mW pentru a radia 1 mW. Date similare se obţin pentru transceiverele în banda de 2.4GHz: pentru o putere radiată de 0dBm, emiţătorul consumă 32 mW, iar receptorul 38 mW. Datele experimentale, preluate din referinţele [22, 23] coincid cu observaţia că majoritatea arhitecturilor de transceivere au un randament de sub 10% la puteri mici de emisie.

O altă observaţie este că la puteri mici de emisie, modurile de recepţie şi emisie consumă aproximativ aceeaşi putere, de multe ori puterea necesara la recepţie fiind mai mare. Pentru a reduce consumul mediu de putere într-o reţea de senzori cu trafic redus, menţinerea transceiverului în moduri de hibernare în locul funcţionării la un nivel scăzut este importantă. Pentru simulări corecte, trebuie să se ţină seama de contribuţia puterii de recepţie în modelele de disipare, deoarece conceptul tradiţional al puterii neglijabile nu mai este valabil. În plus, există problema timpului de pornire şi a energiei consumate în acest scop. Se constată că transceiverele uzual folosite în construcţia WSN nu sunt favorabile modului de hibernare când numărul de pachete primite de interfaţă este mare, deoarece costul energetic ridicat al secvenţelor de pornire/oprire duce la o consumare rapidă a sursei de alimentare.

34

A treia observaţie ţine de costul relativ al comunicaţiei şi al calculului într-un nod senzor, din punct de vedere energetic. Desigur, acest cost variază cu tipul de arhitectură, atât a transceiverului cât şi a zonei de control, precum şi de tipul de instrucţiuni. O comparaţie a consumului comparat se poate găsi în [12], realizată pe nodurile WIN (Rockwell), WINS NG (UCLA) şi MEDUSA2. În medie, execuţia a 1000 de instrucţiuni costă cât transmiterea unui bit. Concluzia evidentă: procesarea e mai ieftină decât comunicaţia.

Un punct crucial în proiectarea layerului fizic este alegerea tipului de modulaţie. Trebuie puşi în echilibru mai mulţi factori pentru a avea o emisie şi o recepţie eficientă: complexitatea implementării, rata de transfer şi rata de simbol (ajungerea la un compromis între o valoare suficientă şi una minim necesară), relaţia între puterea dorită şi BER ţintă, caracteristicile canalului etc.

Pentru maximizarea timpului pe care un transceiver îl petrece în stare de hibernare, trebuie minimizat timpul de transmisie. Aceasta se poate realiza utilizând o modulaţie ce oferă o rată de transfer superioară.

Puterea consumată este dependentă de rata de simbol mai degrabă decât de rata de transfer. Măsurători ale puterii consumate de o placă de reţea wireless funcţionând în standardul 802.11b au evidenţiat dependenţa consumului de tipul de modulaţie, formele mai rapide, cum ar fi CCK (Complemetary Code Keying) utilizând mai multă energie decât DBPSK şi DQPSK (la aceeaşi rată de simbol). Măsurători pe nodurile AMPS-1 evidenţiază un consum insensibil la rata de transfer.

În concluzie, pentru a avea o rată a simbolurilor cât mai scăzută, la rate de transfer mari sunt necesare tipuri de modulaţie m-ară. În continuare vom prezenta o serie de compromisuri necesare:

Modulaţia m-ară necesită circuite digitale şi analogice mai complexe decât modulaţia binară (de exemplu pentru a paraleliza biţii în semnale m-are);

Multe scheme m-are de modulaţie necesită, pentru creşterea m o creştere a RSZ şi prin urmare au nevoie de o putere mai mare radiată pentru a atinge acelaşi BER propus (iar unele scheme sunt ineficiente d.p.d.v. al benzii ocupate). Tabelul de mai jos reflectă această problemă pentru FSK şi PSK m-ar, eficienţa de bandă şi RSZ necesare pentru atinge un BER de 10-6 pentru mai multe valori ale lui m. desigur, trebuie sâ ţinem cont că în cazul unei reţele de senzori, cu cerinţe relativ scăzute relativ la lăţimea de bandă, o eficienţă scăzută este preferabilă creşterii puterii radiate pentru a compensa pierderile de RSZ.

m 2 4 8 16 32 64

ηBWPSK 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0FSK 0.40 0.57 0.55 0.42 0.29 0.18

Eb/N0PSK 10.5 10.5 14.0 18.5 23.4 28.5FSK 13.5 10.8 9.3 8.2 7.5 6.9

Tabelul 3 Eficienţa şi RSZ la PSK/FSK m-ar pentru un BER de 10-6

Se presupune că pachetele generate de aplicaţiile uzuale ale reţelelor de senzori sunt reduse ca dimensiuni, de ordinul zecilor/sutelor de biţi. Pentru astfel de pachete, timpul de start domină consumul energetic, făcând irelevante eforturile de a reduce timpul de transmisie utilizând scheme complexe de modulaţie m-ară.

35

În concluzie, alegerea schemei de modulaţie este determinată de mai multe aspecte, incluzând factori de ordin tehnologic, dimensiunea pachetului, rata erorii, modelul de eroare pe canal utilizat. Decizia optimă echilibrează avantajele schemei şi măsurile luate de îmbunătăţire a robusteţii transmisiunii (deoarece acest lucru impune un consum suplimentar de energie).

3.2 Nivelul legăturii de date (protocoale MAC)

Protocoalele de control al accesului la mediu coordonează timpii în care un număr de noduri accesează un mediu comun de comunicaţie. Vom prezenta căteva aspecte fundamentale ale protocoalelor MAC şi problemele specifice pe care le întâmpină în reţelele de senzori wireless.

În mod tradiţional, cele mai importante cerinţe de performanţă ale protocoalelor MAC sunt: eficienţă, stabilitate, echidistanţă, întârziere mică la acces (timpul între sosirea pachetului şi prima încercare de transmisie), debit şi încărcare mică. Suplimentul de date introdus de protocoalele MAC se compune din suplimentul introdus per pachet (headerele şi trailerele MAC), coliziuni sau schimbul de pachete suplimentare de control. Coliziunile pot apărea dacă protocolul permite două sau mai multor staţii să emită simultan şi au ca rezultat incapacitatea receptorilor de a decoda corect pachetul. Apariţia unui astfel de eveniment semnalizează protocoalelor de nivel superior din stivă să iniţieze o retransmisie.

Funcţionarea şi performanţele acestor protocoale este influenţată puternic de proprietăţile nivelului fizic. Deoarece reţelele de senzori folosesc de obicei un mediu deschsi de comunicaţii, se pot observa cu uşurinţă rate ridicate de eroare, variabile în timp, cauzate de fenomene ca fadingul rapid/lent, atenuare, pierderi pe canal, zgomot termic sau introdus.

Deoarece atenuarea pe canal face ca puterea la recepţie să scadă drastic, un transceiver poate demodula un semnal numai până la o putere minimă de prag, deci există o rază maximă pe care nodul o poate acoperi pentru o putere de emisie dată. Acest fapt generează 2 probleme specifice protocoalelor CSMA (detecţia coliziunulor, CD, nu este aplicabilă într-o reţea wireless de senzori):

Problema terminalului ascuns: specifică protocoalelor CSMA. Considerăm cazul a 3 noduri, A şi B sunt în raza de comunicaţii, B şi C la fel, dar A şi C nu sunt în rază, vezi figura de mai jos:

36

Fig. 7 Scenariul terminal ascuns/expus (cercurile indică raza de emisie)

Dacă A şi C decid simultan să trimită un pachet către B, utilizând protocoale CSMA simple, vor detecta mediul liber, şi pachetele vor fi filtrate de nodul B la recepţie, rezultând în coliziuni nenecesare.

Problema terminalului expus: B începe să transmită un pachet către A şi după un interval mic de timp, C încearcă să transmită un pachet către D. Deşi pachetele ar ajunge la destinaţie fără distorsiuni, protocolul CSMA inhibă la nodul C începerea transmisiunii, deci banda este irosită.Soluţii ale acestor probleme sunt cea a tonului “ocupat” şi handshake-ul RTS/CTS

utilizat de protocoalele MACA/MACW.Protocoalele MAC pot fi clasificate în 3 clase: asignare fixă, asignare la cerere

şi cu acces aleator.Protocoalele cu asignare fixă împart resursele disponibile între noduri pe o

perioadă temporală considerabil mai întinsă decât cea necesară unui burst de date. Pentru a putea urmări fenomene ca schimbările de topologie (noduri cu baterii epuizate sau noduri noi introduse în reţea), sunt necesare mecanisme de semnalizare pentru a renegocia asignarea resurselor. Din această cauză, aceste protocoale nu sunt scalabile.

Protocoalele tipice ale acestei clase sunt TDMA, FDMA, CDMA şi SDMA. TDMA necesită o bună sincronizare, pentru ca semnalele din sloturi temporale învecinate să nu se suprapună, FDMA necesită filtre trece bandă înguste pentru o bună separare a canalelor şi sincronizare de frecvenţă, CDMA necesită un bun management al codurilor iar SDMA, deoarece necesită sisteme de antene şi tehnici de procesare sofisticate este exclusă ca metodă de acces pentru WSN.

Protocoalele cu asignare la cerere pot fi împărţite în centralizate şi distribuite: nodurile iniţiază cereri de alocare de resurse către nodul central care le acceptă sau respinge. În cazul acceptului, o confirmare le este transmisă de la nodul central incluzând descrierea resursei alocate (de ex. nr. şi poziţia slotului tempoaral în TDMA). Dealocarea resurselor se face implicit, pentru a evita transmiterea de semnale suplimentare de eliberare. Nodul central efcetuează multe sarcini care necesită menţinerea lui în permanentă activitate. Acest lucru este posibil doar în cazul accesului la o sursă continuă de energie. De aceea, pentru WSN este mai convenabilă utilizarea clasei de protocoale distribuite, în care rolul de nod central este asumat pe rând de toate nodurile, de ex. protocolul LEACH.

Protocoalele cu acces aleator se utilizează în reţelele de senzori numai sub variaţii ale formei CSMA, în care se implementează soluţii problemelor terminalului ascuns şi a terminalului expus.

Rezolvarea iniţială a problemei s-a făcut utilizând un canal de trafic şi unul de control. Simultan cu începerea recepţiei unui pachet, nodul transmite o frecvenţă nemodulată pe canalul de control până la sfârşitul recepţiei. Înainte de transmisie, nodul ascultă canalul de control. În lipsa semnalului ocupat începe transmisiunea, dacă se detectează semnal de ocupat, porneşte un algoritm “backoff” (aştepată un interval aleator până la reîncercare).

Handshake-ul RTS/CTS utilizează un singur canal şi 2 tipuri de pachete de control: B iniţiază comunicaţia trimiţând Request To Send nodului C (după ce a verificat

37

lipsa traficului pe canal), incluzând un câmp de durată estimată a transmisiunii. La recepţia corectă a RTS, C emite un Clear To Send însoţit de un câmp de durată. La recepţia CTS B începe să emită, iar la finalul transmisiunii C răspunde cu un acknowledgement. Staţiile A şi D ce recepţionează pachetul RTS sau CTS setează un contor intern (Network Allocation Vector) de durata indicată de câmpul respectiv şi nu trimit pachete până la expirarea contorului.

Fig. 8 Handshake-ul RTS/CTS IEEE 802.11

Problemele RTS/CTS sunt figurate mai jos:

Fig 9. Două probleme ale RTS/CTS

38

În stânga: nodurile A şi B rulează secvenţa RTS-CTS-Date-Ack iar pachetul CTS de la B ajunge şi la C. În acelaşi moment, nodul D trimite un RTS către C, urmează o coliziune şi C nu poate sa-şi seteze NAV adecvat. D retransmite RTS, C răspunde cu CTS şi pachetul creează o coliziune la recepţia datelor de către B. În dreapta, problema e cauzată de C trimiţând pachetul RTS către D imediat înainte de a detecta pachetul CTS de la B, care nu mai poate fi decoadat corect. O soluţie la problemă este ca pachetul CTS să fie mai lung decât pachetele RTS. Desigur, handshake-ul RTS/CTS generează mult trafic suplimentar, deci, dacă dimensiunea pachetelor de date este mică, avantajele metodei scad considerabil şi este mai convenabilă utilizarea CSMA.

3.2.1 Probleme de consum la nivelul MAC

În cazul WSN, cerinţele impuse protocolului diferă de reţelele tradiţionale de comunicaţii. Performanţa nu se mai măsoară în oportunitate, acces şi întârziere (care joacă un rol minor) ci în scalabilitate şi robusteţe la schimbări dese de topologie, cauzate de introducerea sau dispariţia nodurilor, de opririle pentru reîncărcare etc.

Din analiza arhitecturii hardware se poate deduce că: transmisiunile sunt costisitoare, costurile de recepţie sunt deseori la fel de mari, standby-ul este semnificativ mai ieftin, dar costul energetic creşte la intrarea şi ieşirea din standby, iar hibernarea aproape nu consumă resurse, dar produce ca rezultat noduri nefuncţionale. Putem astfel defini următoarele cerinţe pentru protocoalele MAC implementabile la nivelul WSN:

Coliziunile: acestea produc penalităţi de cost la recepţie la nodul destinaţie, şi presupun cheltuielo energetice suplimentare pentru retransmisia pachetelor. Este deci recomandabil evitarea lor, fie prin proiectare ( protocoale cu asignare fixă sau la cerere TDMA) sau prin proceduri CSMA adecvate. Dacă se poate garanta pentru o aplicaţie particulară un volum de date suficient de mic, coliziunile nu constituie o problemă.

Recepţia de pachete nedorite: mediul de transmisiune radio e de tip broadcast, deci toţi vecinii sursei recepţionează mesajul şi aruncă pachetul pe interfaţă când nu le e destinat. În cazul reţelelor dense, evitarea recepţiei pachetelor nedorite constituie un avantaj energetic semnificativ. Câteodată însă acest fenomen est dezirabil în special la construirea tabelelor topologice sau la estimarea încărcării curente în scopuri de management.

Overheadul protocolului: este introdus de cadre de control de nivel 2, cum ar fi pachetele RTS/CTS sau pachetele de cerere în protocoalele cu asignare de resurse, precum şi de trailerele şi headerele introduse în pachet.

Ascultarea idle: un nod în stare de repaus este gata să primească şi să proceseze un pachet dar se află într-o pauză de trafic. Faptul că este pregătit de procesare fără a avea date de prelucrat consumă cantităţi semnificative de energie. Oprirea transceiverului este o soluţie , dar trebuie luat în considerare costul opririi/pornirii. În concluzie, acest ciclu de porniri/opriri trebuie menţinut la un nivel minim. Sunt deci avantajoase protocoalele bazate pe TDMA, deoarece trancseiverul poate fi oprit pe durata sloturilor tempoarale necorespunzătoare.

39

Complexitatea redusă este o cerinţă de proiectare, deoarece se intenţionează obţinerea unui cost minim per nod. Trebuie deci evitaţi algoritmii complecşi de sincronizare (iar TDMA cu sloturi temporale mici necesită o sincronizare de bună calitate, ceea ce se traduce în resincronizări frecvente între nodurile învecinate, şi duce la un consum energetic sporit.

În continuare vom prezenta pe scurt principalele protocoale de nivel 2 utilizate în reţelele de senzori.

Protocolul STEM

Protocolul pentru topologie disparată cu management energetic oferă o soluţie ascultării în mod de repaus. Este implementat în reţele amplasate pentru raportarea comportării unui fenomen rar. În acest scop sunt utilizate 2 stări: monitor şi transfer, necesitând 2 transceivere separate, unul pentru canalul de activare şi unul pentru canalul de transfer date. Transceiverul de transfer date este în hibernare până în momentul în care trebuie să transfere sau să primească pachete de date. Protocolul MAC e executat numai pe canalul de date în timpul stărilor de transfer. Pe canalul de activare sunt alocate perioade fixe de activare de lungime T, subîmpărţite în perioadă de ascultare Trx << T şi perioada de hibernare, în care transceiverul de pe canalul monitor se opreşte. Când un nod intră în perioada de ascultare, porneşte transceiverul canalului de activare şi aşteaptă semnale. Dacă nu se receptionează nimic în Trx, nodul reintră în hibernare. În cazul recepţiei, se iniţiază transferul de pachete pe canalul de date. Există 2 variante prin care nodul emiţător captează atenţia nodului destinaţie:

STEM-B (beacon) transmite semnale baliză pe canalul de activare periodic în perioadele de activitate. Când receptorul primeşte semnalul baliză (şi îşi recunoaşte propria adresă MAC ca destinaţie), trimite o confirmare, emiţătorul opreşte semnalul baliză, se deschid canalele de transfer şi se iniţiază protocolul MAC (de ex. un handshake RTS/CTS).

STEM-T (tone) transmite pe canalul de activare un ton de ocupat pe o perioadă suficient de întinsă pentru a acoperi o perioadă de ascultare a nodului destinaţie. Toate nodurile învecinate pornesc canalul de transfer şi pachetul de date primit e filtrat de toate în afară de nodul destinaţie.

Figura de mai jos prezintă stările protocolului STEM

Fig. 10 Ciclul STEM pentru un singur nod

40

Protocolul S-MAC

Protocolul Senzor-MAC oferă mecanisme de prevenire a ascultării în mod idle, a coliziunilor şi a recepţionării de pachete nedorite. Nu necesită 2 canale separate.

Se adoptă o schemă periodică de activare (nodul baleiază între o perioadă fixă de hibernare şi una de activitate). Perioada de ascultare se poate utiliza la recepţia şi transmisia pachetelor. Se încearcă sincronizarea perioadelor de ascultare între nodurile învecinate. Perioada de ascultare e împărţită în 3 faze: faza de sincronizare, în care nodul acceptă pachete de sicronizare de la vecini (în pachet se descrie propria configuraţie a fazelor), pe care le stochează în tabela de sincronizare. Din motive de sincronizare şi de actualizare a topologiei, pachetele de sincronizare se trimit periodic. Faza RTS, în care nodul aşteaptă pachete RTS de la vecini. Vecinii interesaţi concurează la acces utilizând o alocare CSMA cu backoff. Faza CTS, în care nodul transmite un pachet CTS dacă a recepţionat un pachet CTS în faza precedentă. După aceasta continuă transmisia datelor propriu-zise.

Fig. 11 Principiul S-MAC

Prin transmiterea pachetelor de sincronizare şi menţinerea informaţiei în tabele, S-MAC permite formarea de clustere virtuale, regiuni ale reţelei care au aceaşi planificare a ferestrelor se ascultare/hibernare. Aceste regiuni sunt bordate de noduri care au în tabelă 2 sau mai multe planificări ale traficului, şi trebuie să emită în concordanţă pentru toate zonele (se creşte astfel timpul de activitate al acelor noduri şi deci se scade durata lor de viaţă). Structura de cluster este limitată la sincronizări, şi nu interferă cu transferul de date. Deoarece protocolul ascultă periodic după mesaje de sincronizare, formarea de clustere virtuale este robustă şi rezistentă la erori.

S-MAC adoptă şi un mod de fragmetare a pachetelor lungi. O serie de fragmente este transmisă în urma unui singur schimb de mesaje RTS/CTS dinter nodul emiţător A şi receptorul B. După fiecare fragment, B răspunde cu un acknowledgement. Toate pachetele de control au un câmp al duratei, şi nodul vecin C e obligat sa-şi seteze contorul NAV în concordanţă. Dacă un fragment necesită retransmisie, contorul e incrementat cu lungimea pachetului plus lungimea ack-ului.

41

Fig. 12 Fragmentarea S-MAC şi setarea NAVProblemele S-MAC sunt latenţa mare (aproximativ egală cu media perioadei de

hibernare oentru toate nodurile dintr-o regiune de planificare) şi nevoia de adaptare a lungimii ferestrei de ascultare funcţie de necesităţile variabile de trafic.

Protocolul dispozitivului de mediere

Acest protocol e compatibil cu standardul peer-to-peer cu rată mică de transfer 802.15.4 WPAN. Se permite fiecărui nod din WSN să intre periodic în stare de hibernare şi să fie activ o scurtă perioadă pentru a recepţiona pachete de la nodurile învecinate. Nu există referinţă temporală globală. La fiecare trezire periodică, nodurile transmit semnale indicând adresa proprie şi disponibilitatea de a primi pachete. Nodul rămâne activ o scurtă perioadă după semnalul baliză. Dacă nici un pachet nu e primit în această fereastră, acesta se întoarce în starea de hibernare.

Când un nod vrea să transmită un pachet trebuie să se sincronizeze cu vecinul. În mod ideal, se presupune existenţa unui nod activ în permanenţă, numit dispozitiv de mediere, care primeşte toate semnalele baliză şi află timpul de activare al fiecărui nod. Dacă nodul A vrea să transmită un pachet, trimite în perioadele de activitate un cadru RTS. Nodul MD aşteaptă semnalul baliză de la nodul B şi îi trimite un cadru răspuns indicând adresa nodului A şi offsetul temporal necesar pentru ca CTS-ul emis de B să ajungă la momentul oprtun, în fereastra de recepţie. B învaţă perioadele de activitate ale nodului A şi transmite pachetul şi semnalul ack. După încheierea transmisiunii nodurile se decuplează şi revin la planificarea originală.

42

Fig. 13

Protocolul cu mediere în prezenţa mediatorului fără constrângeri

Un astfel de protocol are avantajul lipsei necesităţii sincronizării între noduri, această sarcină revenind MD. Desigur, cazul ideal nu poate fi folosit în situaţia unei WSN. Protocolul distribuit cu dispozitiv de mediere rezolvă această problemă printr-o metodă probabilistică: noduri aleatoare sunt pornite şi setate ca nod MD pentru o perioadă de timp, după care li se permite întoarcerea la starea iniţială.

Protocolul PAMAS

Protocolul de multiacces cu semnalizare şi management de putere prezintă un mecanism de evitare a recepţiei cadrelor nedorite utilizând 2 canale: de date şi de control. Toate pachetele de semnalizare sunt transmise pe canalul de control în timp ce canalul de date e rezervat traficului de pachete între nodurile senzor.

Funcţionare: un nod inactiv doreşte să transmită un pachet unui nod vecin. Nodul trimite un pachet RTS pe canalul de control fără să facă detecţia de purtătoare, ce conţine adresele MAC ale nodului sursă şi destinaţie. Dacă nodul vecin primeşte pachetul, răspunde cu un cadru CTS şi se poate începe transferul de date. Când nodul începe să primească pacjetul emite un ton de ocupat pe canalul de control. Dacă nodul sursă nu primeşte un pachet CTS utilizează un mecanism de backoff înainte de a aştepta un nou CTS.

Protocolul LEACHA fost discutat pe larg vezi referinţa [24]

43

Fig. 14 Stabilirea legăturii între 2

noduri prin SMACS

Protocolul SMACS

Protocolul cu întreţinere automată a accesului la mediu în reţelele de senzori este parte a unei stive de protocoale pentru reţelele de senzori care înglobează nivelul MAC, descoperirea vecinilor, ataşarea nodurilor mobile, un protocol de rutare multihop şi unul local pentru procesări cooperative. Combină descoperirea reţelei cu asignarea de planificări TDMA nodurilor. Se bazează pe următoarele presupuneri:

Spectrul disponibil este divizat în multe canale şi fiecare nod îşi poate acorda transceiverul pe un canal arbitrar (sau sunt dispnoibile mai multe coduri CDMA)

Majoritatea nodurilor sunt fixe şi această stare durează un timp îndelungat

Scopul SMACS este detecţia vecinilor şi stabilirea de legături dedicate cu aceştia, legătura ocupând un slot TDMA la fiecare dispozitiv. Din perspectiva unui nod se consumă 2 sloturi, unul pentru recepţie şi unul pentru transmisie. Pentru a se asigura că nu apar coliziuni la recepţie, SMACS alocă sloturi temporale nesuprapuse pentru fiecare legătură la fiecare dispozitiv (prin rularea unui algoritm greedy). După stabilirea legăturii, nodurile trec periodic în stări de activitate (odată per supercadru).

Nodul ascultă într-o bandă fixă pentru uninterval aleator. Daca nu primeşte nici un pachet, iniţiază un mesaj de invitaţie. Tipurile de mesaje schimbate sunt: Type1(x, neataşat), indică ID-ul nodului şi numărul de vecini ataşaţi (0 în cazul fig. 14). Dacă un nod z primeşte pachetul, răspunde după o perioadă aleatoare cu Type2(x,z,n), unde n e numărul de vecini ataşaţi. Nodul y va răspunde cu Type2(x,y,neataşat), iar nodul x iniţiază formarea unei legături trimiţând numai identificarea nodului câştigător, Type3(y,--). Y va răspunde cu mesaj Type4(x,y,specificaţii link), în care se alocă sloturile temporale şi frecvenţa sau codul.

44

Protocolul permite conexiuni statice între noduri. Deoarece descoperirea vecinilor rulează periodic, acesta se poate adapta la schimbări de topologie. O problemă critică o constituie alegerea lungimii supercadrului, care trebuie să fie suficient de mare pentru a putea suporta cea mai mare densitate de noduri vecine din sistem, altfel unele noduri nu ar putea comunica şi nu ar fi vizibile celorlalte noduri.

Protocolul TRAMA

Protocolul MAC adaptiv la trafic crează o planificare ce permite nodurilor să acceseze un singur canal fără coliziuni. Acestea sunt construite într-o manieră distribuită şi sunt disponibile la cerere.

Protocolul este constituit din 3 elemente: protocolul de topologie, protocolul de sincronizare a planificărilor şi algoritmul adaptiv de elecţie. Protocolul de topologie e executat în faza de acces aleator, subdivizată în sloturi temporale mici. Un nod alege aleator un număr de ferestre temporale şi transmite pachete de identificare conţinând adresa proprie şi informaţii incrementale despre topologie, numai informaţiile despre vecinii identificaţi între slotul actual şi cel precednt fiind incluse în pachet. Toate transceiverele trebuie să fie active în perioada de acces aleator.

Protocolul de sincronizare a planificărilor transmite planificarea curentă a transmisiunilor nodului şi acceptă planificările vecinilor. Alocarea sloturilor se face calculând prioritatea slotului cu o funcţie hash de forma P = h(x+t).

Nodurile pot astfel sa-şi identifice sloturile câştigătoare de transmisie şi oportunităţile. O situaţie complicată apare când, într-o vecinătate de 2 hopuri apar 2 noduri cu priorităţi mai mari decât a nodului inclus în ambele domenii. Algoritmul adaptiv de elecţie poate rezolva această situaţie şi permite reutilizarea sloturilor câştigătoare de către vecini.

Fig. 15 TRAMA – situaţie de conflictProtocolul TRAMA are nevoie de resurse importante de procesor şi memorie, în

special în cazul topologiilor dense, unde vecinătăţile de 2 hopuri ale unui nod au tendinţa

45

să fie mari. În concluzie, TRAMA este o soluţie fezabilă numai dacă nodurile senzor au suficiente resurse.

Protocol Cluster/SimpluNr. de canale

necesare

Evitarea ascultării

idle

Evitarea recepţie pachete nedorite

Evitarea coliziunilor

Date suplimentare(overhead)

LEACH Clustere rotative 1 Prin

TDMAPrin

TDMAPrin

TDMA Alegerea/formarea clusterului

STEM Ambele 2 Hibernare periodică STEM-B Depinde de

MACDepinde de MAC şi de

semnalele baliză

S-MAC Simplu 1 Hibernare periodică Prin NAV RTS/CTS RTS/CTS, SYNCH, iniţierea

clusterelor virtuale

Mediation Device Simplu 1 Hibernare

periodică Implicit NuServiciul periodic de mediator,

semnalele de intergogare, RTS/CTS

Wakeup radio Simplu >2 Semnal de

activareSemnal de

activareCSMA

multicanal Radio suplimentar

CSMA Simplu 1 -

Hibernare în timpul backoff-

ului

RTS/CTS RTS/CTS

PAMAS Simplu 2 - DaRTS/CTS

cu ton ocupat

Canalul de semnalizare

SMACS Simplu Multe Prin TDMA

Prin TDMA

Prin TDMA

Descoperirea vecinilor, setup-ul canalului

TRAMA Simplu 1 Prin planificare

Prin planificare

Prin planificare

Protocolul de vecinătate/planificare/transmisie

Tabel 4 Protocoalele MAC semnificative pentru WSN – sumar

46

3.3 Nivelul de reţea

Într-o reţea multihop, nodurile intermediare trebuie să transmită pachete de la sursă la destinaţie. Nodurile intermediare trebuie să decidă cărui vecin de ordin 1 i sa va transmite informaţia, dacă nodul intermediar nu este destinaţia. Se folosesc tabele de rutare care enumeră vecinii cei mai semnificativi pentru retransmisia de pachete. Construcţia şi întreţinerea acestor tabele este sarcina protocoalelor de rutare.

Deoarece acest subiect a fost discutat pe larg într-o lucrare precedentă [24], vom face numai câteva consideraţii de ordin general.

Fig. 16 Exemplu simplu de tabele de rutare într-o topologie posibilă de WSN (S->D)

Cea mai simplă cale de transmitere a pachetelor este inundare reţelei prin transmiterea pachetului la toţi vecinii. Cât timp sursa şi destinaţia sunt în aceeaşi componentă interconectată a reţelei, pachetul va ajunge cu siguranţă la destinaţie. Pentru a evita circularea continuă a pachetelor şi broadcast stormurile, nodul trebuie să retransmită pachetul o singură dată, necesitând prezenţa unor mecanisme de identificare a sursei şi a secvenţei pachetului. Este de asemenea necesară implemantarea unei forme de expirare la nivelul pachetului (gen câmpul TTL la reţelele IP), pentru a evita propagarea nenecesară dacă destinaţia nu este disponibilă..

O alternativă la propagarea către toţi vecinii este transmisia pachetului către un vecin arbitrar. Această metodă, cunoscută în literatura de specialitate ca “gossiping” rezultă într-o traversare aleatoare a pachetului prin reţea către destinaţie. În mod clar, întârzierile sunt mari în acest caz. De fapt, floodingul şi gossiping-ul sunt două modalităţi extreme ale spaţiului de proiectare. Alternativ, sursa ar putea transmite mai multe copii ale pachetului pe căi aleatoare, sau fiecare nod intermediar ar înainta mai multe copii unui subset de vecini, utilizând un protocol de control topologic. Ultima modalitate se mai numeşte şi flooding controlat.

Aceste metode, deşi simplu de implementat produc performanţe foarte slabe, cauzate de ignorararea topologiei reţelei. Din această cauză se preferă utilizarea de protocoale de rutare complexe, a căror sarcină o constituie construcţia tabelei de rutare, identificarea vecinilor favorabili pe baza costurilor, şi forwardarea în consecinţă.

Construirea tabelelor de rutare e realizată de algoritmi specifici (în reţelele fixe, protocoalele sunt în general distance vector sau link-state Bellman-Ford/Dijkstra). Reţelele wireless necesită o abordare diferită: protocoale de rutare distribuite, cu overhead mic, autoconfigurabile şi rezistente la schimbări dese de topologie.

47

Rutarea ad-hoc a primit o atenţie ştiinţifică considerabilă, şi un număr mare de protocoale a fost conceput. Aceste protocoale se pot împărţi în protocoale conservatoare table-driven, proactive, care încearcă să menţină o informaţie corectă în tabelele de rutare şi protocoalele on-demand care construiesc tabela numai când pachetul e transmis unei destinaţii necunoscute. Graniţa între cele două tipuri nu este foarte strictă, şi o serie de protocoale hibride au fost implementate.

Protocoale table-driven: DSDV (Destination-Sequenced Distance Vector) [25]; CGSR (Clusterhead Gateway Switch Routing) [26] şi WRP (Wireless Routing Protocol) [27].

Protocoale on-demand: DSR (Dynamic Source Routing) [28]; AODV [29], TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm) [30]; ABR (Associativity-Based Routing) [31] şi SSR (Signal Stability Routing) [32].

O problemă comună protocoalelor ad-hoc este necesitatea floodingului de mesaje de control pentru explorarea topologiei reţelei şi identificarea nodurilor destinaţie.

Desigur, protocoalele menţionate mai sus au ca obiectiv principal în implementare eficienţa energetică şi pornesc de la presupunerea că traficul de date nu are constrângeri legate de livrarea pachetelor. Creşterea interesului în aplicaţii care necesită o performanţă end-to-end garantată şi introducerea de senzori video pun probleme serioase protocoalelor actuale. Transmiterea cu succes a datelor în acest caz necesită un amangement al reţelei atât din punct de vedere al consumului energetic cât şi QoS.

3.3.1 QoS în reţelele de senzori

Protocoalele ce implementează scheme de asigurare a QoS-ului în reţelele de senzori au aplicaţii numeroase, incluzând urmărirea ţintelor în timp real, apariţia de evenimente importante în aplicaţia de monitorizare etc. Livrarea acestor tipuri de date necesită o lăţime minimă de bandă, cu întârzieri cât mai mici posibil. Este deci nevoie de un mecanism de diferenţiere al traficului pentru a se putea garanta un anumit tip de serviciu.

În literatura de specialitate, problema prioritizării traficului în reţelele de senzori este foarte puţin atinsă. Vom preciza pe scurt problemele puse de funcţionarea WSN în condiţiile aplicării unor protocoale ce ţin cont de QoS. În continuare, se enumeră câteva probleme ale arhitecturii nodului senzor cu scoaterea în evidenţă a implicaţiilor:

Dinamica reţelei: există 3 elemnte la baza reţelelor de senzori, mai exact nodurile, centrele de colectare şi evenimentele monitorizate. Majoritatea arhitecturilor constau din noduri senzor staţionare. Este câteodată necesar implementarea suportului pentru mobilitatea centrelor de colectare, dar stabilitatea devine o problemă, din cauza necesităţii rutării între noduri mobile. Evenimentul urmărit de reţeaua de senzori poate fi static (monitorizare) sau dinamic (detecţie şi urmărire). Monitorizarea evenimentelor statice permite reţelei o desfăşurare reactivă, generând trafic în momentul raportării. Monitorizarea evenimentelor dinamice necesită o raportare periodică şi generează un volum semnificativ de trafic ce trebuie rutat spre nodul colector.

Amplasarea nodurilor: desfăşurarea topologică este dependentă de aplicaţie şi afectează performanţele protocolului de rutare. Este deterministă (în cazul plasării

48

manuale a nodurilor, se pot minimiza coliziunile şi se pot construi rute predeterminate) sau cu auto-organizare. În cazul formării topologiei în urma unei amplasări aleatoare, poziţia nodului colector sau a nodurilor de agregare este crucială dpdv energetic şi al performanţei. În special când distribuţia nodurilor nu este uniformă, optimizarea formării clusterelor devine crucială pentru o funcţionare eficientă energetic.

Comunicaţia inter nod: procesul de stabilire a rutelor este puternic influenţat de considerente energetice. Deoarece transmisia directă pe distanţe mari nueste oportună, de cele mai multe ori datele sunt transmise prin mai multe hopuri, ceea ce introduce un overhead seminificativ pentru managementul topologiei şi controlul accesului la mediu. Rutarea directă ar fi suficientă dacă nodurile s-ar afla în proximitate de nodul colector, dar de cele mai multe ori rutarea multi-hop este inevitabilă.

Modelul de transfer al datelor: depinzând de aplicaţia în care este folosită reţeaua de senzori, datele pot fi transferate către nodul colector în mod continuu, la apariţia unui eveniment, la cerere şi hibrid. În modelul continuu, fiecare nod transmite date periodic . În modelelel de transmisie la cerere şi la apariţie, transmisia de date e declanşată de apariţia unui eveniment sau de lansarea unei interogări de către nodul colector. Unele reţele aplică o combinaţie între cele două metode.protocolalele de rutare şi cele de nivel MAC sunt influenţate de modelul de livrare, în special în privinţa minimizării consumului şi stabilitatea rutelor.

Capabilităţile nodului: într-o reţea de senzori, fiecărui nod i se poate asocia cu o funcţionalitate specifică. În implementări timpurii, nodurile erau omogene din punct de vedere al resurselor energetice, puterii de calcul şi al capacităţilor de comunicaţie. Depinzând de aplicaţie, de cele mai multe ori un nod va fi dedicat unei funcţii particulare, cum ar fi retransmisie, analiză sau agregare, deoarece angajarea în mai multe sarcini distincte poate avea un impact major asupra consumului. Există două implementări care abordează problema: alegerea prin software a nodurilor centrale în urma rulării unui algoritm specific sau amplasarea de noduri superioare dpdv al sursei de alimentare, benzii şi memoriei disponibile, care vor asuma sarcinile liderilor de cluster.

Agregarea datelor: deoarece nodurile senzor pot genera o cantitate semnificativă de informaţii redundante, se poate implementa un sistem care să accepte pachete similare de la mai multe noduri şi să retransmită numai o copie, reducând astfel durata şi numărul de transmisiuni. Agregarea datelor este rezultatul utilizării de funcţii specifice, cum ar fi suprimarea duplicatelor, minim, maxim sau funcţii de mediere. Unele din aceste funcţii pot fi executate parţial sau total de orice nod senzor, permiţând nodurilor să reducă traficul din reţea. Având în vedere discuţiile din capitolul 2, şi anume faptul că este mai scump dpdv energetic să comunici decât să efectuezi calcule, se pot obţine optimizări ale consumului energetic la nivelul reţelei utilizând agregarea de date. Această tehnică a fost deja folosită într-un număr seminificativ de protocoale de rutare. Există şi implementări în care sarcina agregării este atribuită unor noduri specializate. Din păcate, agregarea complică protocolul MAC, deoarce eliminarea pachetelor redundante necesită arbitraj instantaneu la accesul la mediu. Din această cauza,

49

sunt aplicabile numai protocoale bazate pe CSMA sau CDMA, ducând la o creştere în consum.În continuare voi analiza problemele tehnice ale implementării QoS în reţelele de

senzori.Problemă de proiectare Factori principali

Dinamica reţelei Mobilitatea nodului, ţintei şi nodului colector

Amplasarea nodurilor Deterministă sau ad-hocComunicaţia inter-nod Directă sau multi-hop

Modele de transfer a datelor Continuă, declanşată de eveniment, la cerere, hibridă

Agregarea datelor Internă reţelei (parţial/total) sau extern reţelei

Tabel 5. Problemele proiectării unei arhitecturi de reţea

3.3.2 Problemele implementării QoS în reţelele de senzori

În vreme ce abordările contemporane ale protocoalelor de rutare nu adresează congestiile traficului, rutarea cu QoS se face uzual prin rezervare de resurse într-o comunicaţie conecţie orientată, pentru a face faţă cerinţelor fiecărei conexiuni individuale. Deşi multe mecanisme de rutare a datelor prioritare prin mecanisme QoS au fost propuse şi implementate în reţelele terestre, acestea nu pot fi aplicate direct în reţelele fără fir din cauza caracteristicilor inerente ale mediului de propagare, care afectează calitatea legăturii şi resursele de bandă limitate. Din această cauză sunt necesare protocoale de rutare cu QoS pentru reţele ad Hoc, ce ţin cont de natura dinamică a reţelei.

Deşi reţelele de senzori au aceleaşi probleme de calitate a serviciului ca reţelele de date radio de uz general, caracteristicile specifice ridică probleme ce trebuiesc luat în calcul în momentul proiectării:

Limitările de bandă: o problemă tipică pentru reţele radio de uz general o reprezintă asigurarea lăţimii de bandă necesare pentru atingerea nivelului dorit de calitate. Limitările de bandă sunt o problemă presantă pentru reţelele de senzori. Traficul caracteristic e constituit dintr-o serie de pulsuri de pachete atăt cu necesitate de procesare în timp real cât şi fără. Alocarea benzii disponibile doar pentru traficul prioritar nu este o soluţie viabilă. Va fi deci necesar un compromis în calitatea audio/video pentru a putea transmite şi traficul neprioritar. Va fi necesar suplimentar utilizarea de rute multiple independente, pentru a împărţi fluxul de date şi a permite realizarea impunerilor de calitate. Construcţia de rute independente pentruu acelaşi flux este o problemă complicată în reţelele de senzori datorită limitărilor energetice, a puterii de calcul reduse precum şi datorită creşterii potenţiale a numărului de coliziuni pe rutele pe care se transmite informaţia.

Îndepărtarea redundanţei: după cum am precizat anterior, reţelele de senzori se caracterizează prin redundanţa multiplă a datelor generate. În cazul traficului nerestricţionat, îndepărtarea redundanţei este facilă, putând fi realizată cu funcţii

50

similare celor de agregare. Agregarea datelor pentru traficul cu QoS este dificilă. Compararea pachetelor ce formează o imagine sau un stream video nu este o sarcină ce se poate executa cu puţine instrucţiuni, iar accesarea intensă a procesorului duce la creşterea consumului. Un set de reguli la nivel de senzor şi la nivel de sisem sunt necesare pentru a face agregarea datelor cu QoS fezabilă dpdv al puterii de calcul necesare. De exemplu, agregarea datelor ce formează un stream de imagini poate fi efectuată selectiv pe traficul generat de senzorii care au aceeaşi orientare, deoarece se poate considera că imaginile sunt foarte similare. Alt factor de considerat este volumul traficului prioritar într-un anumit moment. În cazul unui volum mic, poate fi mai eficientă oprirea agregării, deoarece suplimentul de trafic generat de aceasta poate ocupa o lăţime de bandă mai mare decât fluxul efectiv. În ciuda complexităţii agregării pachetelor de imagine şi video, recompensele în sensul performanţei reţelei, având în vedere dimensiunea pachetelor şi frecvenţei transmiterii acestora pot fi majore.

Compromisul între energia consumată şi întârziere: deoarece puterea de transmisie este proporţională cu pătratul distanţei (sau chiar mai mare în cazul unui mediu zgomotos sau în prezenţa terenului accidentat), reţelele wireless utilizează aproape exclusiv tehnici de rutare multi-hop. Deşi adăugarea de staţii intermediare scade semnificativ puterea consumată pentru colectarea datelor, are ca efect secundar creşterea întârzierilor cumulative ale pachetelor. Întârzierea introdusă de trecerea pachetului prin memoria tampon este de obicei mai mare decât întârzierea cauzată de propagare. Creşterea numărului de staţii intermediare face ca întârzierea să crească, şi complică analiza şi tratarea traficului prioritar. Este de aşteptat ca rutarea în reţelele de senzori ţinând cont de QoS să sacrifice eficienţa energetică pentru a satisface cererea de serviciu. În plus, este inevitabilă rutarea redundantă (împărţirea traficului în mai multe fluxuri distincte şi transmiterea pe mai multe căi) pentru a face faţă cu succes ratelor relativ ridicate de eroare din comunicaţiile radio. Acest dezavantaj complică suplimentar ajungerea la un compromis între consumul de energie şi întârzierea în livrarea pachetului.

Mărime limitată a memoriei tampon: nodurile senzor sunt de obicei limitate în resursele disponibile de stocare şi procesare. Rutarea multi-hop se bazează pe funcţionarea unor noduri intermediare pe post de releu. Nodul intermediar încarcă pachetul în memoria tampon în vederea analizei. Dacă se constată că pachetul nu este destinat senzorului, ci unui nod distant, este încărcat în coadă pentru retransmisie. Pachetele din reţelele de senzori sunt de obicei de mici dimensiuni, şi în consecinţă nodurile au o memorie tampon a cărei dimensiune variază funcţie de aplicaţie (stocarea mai multor pachete în memoria tampon înainte de transmisie facilitează agregarea datelor în interiorul reţelei şi poate reduce consumul emiţătorului, prin transmiterea unui singur burst în loc de mai multe bursturi scurte). Deoarece rutarea în condiţiile asigurării QoS pentru o clasă de trafic necesită stocarea în memoria tampon a unei cantităţi mari de date (în special când se doreşte controlul jitterului), trebuie să se asigure din proiectare disponibilitatea unei memorii suficiente, altfel această limitare va introduce o creştere a variaţiei întârzierii pachetelor ce sosesc pe rute distincte (sau chiar pe

51

aceeaşi rută). Astfel de problemă complică programarea accesului la mediu şi îngreunează atingerea nivelului de tratare a traficului prioritar.

Suport pentru mai multe tipuri de trafic: formarea unui set heterogen de senzori ridică probleme multiple legate de rutare. Se poate imagina o aplicaţie complexă, care utilizează un set foarte diversificat de senzori pentru supravegherea temperaturii, presiunii, umidităţii mediului, detecţia de mişcare (cu senzori acustici, de exemplu) şi captură de imagine, sau chiar urmărirea video a ţintei în mişcare. Aceşti senzori sunt fie amplasaţi independent, fie se folosesc noduri care includ mai multe platforme de achiziţie, care se pot folosi la alegere de către un operator. Informaţiile generate de senzorii unei astfel de reţele complexe pot avea rate diferite atât de achiziţie cât şi de transfer, sunt supuse unor cerinţe diferite de QoS şi pot urma modele distincte de livrare. O astfel de topologie heterogenă complică implementarea protocoalelor de rutare atât la nivel soft cât şi la nivel hard (necesitatea unor procesoare mai puternice, eventual ASICuri specializate pentru tratarea QoS, rezultând o creştere a consumului energetic al nodului, şi deci o scădere a duratei de funcţionare –vezi fig. 17).

Fig. 17 Deservirea mai multor cozi de prioritate

3.3.3 Exemple de protocoale de rutare cu QoS

Dezvoltarea de protocoale de rutare ce pot funcţiona în medii cu constrângeri QoS a intrat în interesul mediului de crecetare în ultimii ani, ca răspuns la apariţia de noduri senzor mai performante, capabile să răspundă cerinţelor crescute de putere de procesare.

Se pot identifica două categorii de protocoale: prima categorie se concentrează pe echilibrarea compromisului energie consumată – întârziere, fără a lua în considerare

GW

Clase de priorităţi de deservire

Cla

sific

are

52

celelalte probleme, iar cea de-a doua categorie încearcă optimizarea ocupării benzii disponibile şi micşorarea întârzierii prin împărţirea traficului prin mai multe noduri.

SAR (Sequential Assignement Routing) este primul protocol implementat pentru reţele de senzori care include QoS în deciziile de rutare. Se încearcă creşterea eficienţei consumului de energie şi toleranţa la erori prin identificarea în tabela de rutare a mai multor noduri către care se poate transmite fluzul de date.

Protocolul SAR creează arbori cu rădăcina aleasă dintre vecinii de ordinul unu al nodului colector, luând în considerare metrici QoS, resurse energetice disponibile pe fiecare cale şi nivelul de prioritate al fiecărui pachet. Arborii astfel creaţi, se calculează căi multiple de la nodul colector către senzori (numai o cale este folosită efectiv pentru trafic, celelalte se păstrează ca rezerve). Recuperarea la pierderea unei legături se face prin menţinerea consistenţei tabelei de rutare în ambele sensuri. Orice pierdere locală a legăturii porneşte automat o procedură de restaurare a căii.

Dezavantajele SAR: deşi menţinerea căilor multiple în tabela de rutare permite o recuperare rapidă în cazul pierderii unei rute, protocolul are un overhead sporit din cauza necesităţii menţinerii tabelelor (în special când numărul de noduri este foarte mare). În plus, rutele redundante nu sunt folosite simultan pentru transmiterea traficului.

EAQRP (Energy-Aware QoS Routing Protocol), propus de Akkaya şi Younis funcţionează prin identificarea căii cu cel mai mic cost şi cu eficienţă energetică maximă, ce respectă un criteriu de întârziere end-to-end în timpul stabilirii conexiunii. Costul legăturii este o funcţie ce înglobează rezerva de energie disponibilă nodului, energia necesară pentru emisie, rata erorii şi alţi parametri.

Pentru a acomoda traficul prioritar şi cel normal simultan se foloseşte un sistem de coadă cu clasificator, ce permite servirea simultană a celor două clase de trafic. Procentul din bandă alocat comunicaţiilor prioritare se defineşte de către nodul gateway ca valoare iniţială, şi va fi folosit per conexiune în caz de congestie. Acelaşi procent din bandă se alocă şi traficului normal, ceea ce permite traficului neprioritar sa traverseze nodul. Modelul cozii este prezentat în fig. 18.

Fig. 18 Configuraţia cozii protocolului EAQRPDezavantajul protocolului îl constituie lipsa de flexibilitate în alegerea procentului

de bandă alocat pentru legături diferite, pentru a permite o utilizare mai eficientă a conexiunilor.

SPEED este un protocol de rutare cu QoS pentru reţele de senzori care oferă garanţia livrării în timp real end-to-end. Protocolul necesită ca fiecare nod să menţină o

53

tableă cu informaţii despre vecini şi utilizează retransmisia geografică pentru a găsi căile optime. Suplimentar, SPEED încearcă să asigure o anumită viteză pentru fiecare pachet din reţea astfel ca fiecare aplicaţie să poată estima întârzierea totală a pachetului cunoscând distanţa către destinaţie şi viteza pachetului înainte de a lua o decizie si poate oferi evitarea congestiilor dacă reţeaua este supraîncărcată.

Modulul de rutare al SPEED este SNGF (Stateless Geographic Non-Deterministic Forwarding) şi funcţionează cu alte 4 module la nivelul reţea după cum se vede în fig. 20. Mecanismul semafor colectează informaţii despre noduri şi locaţia acestora. Estimarea întârzierii la fiecare nod se face prin calcularea perioadei scurse de la transmitera unui pachet până la recepţia unui mesaj ACK de la vecin. Analizând întârzierile din reţea, SNGF selectează nodul care îndeplineşte necesităţile de viteză. Dacă un astfel de nod nu poate fi găsit, se verifică rata de releu a nodulu. Această rată este obţinută de la modulul de verificare a vecinilor, care calculează câte din nodurile vecine nu satisfac cerinţele de viteză. Rata este apoi introdusă în SNGF. Dacă aceasta e mai mică decât un număr aleator între 0 şi 1, pachetul este ignorat. Modulul de rerutare este utilizat în prevenirea situaţiilor când nodul nu poate găsi următorul hop, precum şi a congestiilor, trimiţând mesaje la nodurile sursă pentru ca acestea să caute rute alternative.

Fig. 20 Componentele de rutare ale protocolului SPEED

În concluzie, vasta majoritate a protocoalelor de rutare disponibile pentru reţelele de senzori au ca obiectiv final obţinerea eficienţei energetice maxime. Având în vedere însă introducerea de sisteme de achiziţe video/captură de imagini, volumul traficului în reţea creşte, şi sunt necesare protocoale specializate, capabile să facă faţă cu succes nu numai optimizării consumului de energie, dar şi acces efectiv la măsurătorile efectuate.

54

4. GLOSAR

ACK - AcknowledgeAcquire - Active Query Forwarding in Sensor NetworksADV - Advertise; mesaj prin care sunt facute cunoscute datele nodurilor reţeleiAES - Advanced Encryption StandardAplicatii "time-critical" - aplicaţii îin care timpul reprezintă un factor determinantAPTEEN - Adaptive Periodic TEENBluetooth - standard de comunicatii“Beamforming” - tehnica prin care se combina semnalele de la intrare si se reduce zgomotulBS - Base StationCADR - Constrained Anisotropic Diffusion RoutingCDMA - Code Division Multiple AccessCH - Cluster HeadComunicatie "point-to-point" - tehnica de transmisiune punct la punctCPU - Central Processing UnitCSMA - "Carrier Sense Multiple AccessCT - Countdown TimeDAM - Distributed Aggregate ManagementDATA - mesaj transmis care contine datele solicitate de nodurile retelei"Data fusion" - procedeu prin care un nod de retea este capabil sa produca la ie§ire un semnal prelucrat"Data reduction"- procedeu de convertire a datelor in reprezentari cat mai bine organizate şi cat mai succinteDC - Data CentricDispozitiv "embedded" - dispozitiv hardware sau software reprezentand o componenta dintr-un sistem mai complexEBAM - Energy-Based Activity MonitoringEMLAM - Expectation-Maximization Like Activity MonitoringER - Event RadiusESF - European Science FoundationFBW - Fixed Broadband WirelessFPGA - Field Programmable Gate Array"Flooding" - protocol de rutare care transmite datele in intreaga reteaGAF - Geographic Adaptive FidelityGBR - Gradient-Based RoutingGEAR- Geographical and Energy Aware RoutingGEDIR - Geographic Distance Routing"Gossiping" - protocol de rutare care transmite datele in intreaga reteaGPS - Global Positioning SystemGSM - Global System for Mobile communicationsHT - Hard Threshold

55

IDSQ Information-Driven Sensor QueryingIEEE 802.11 - standard de comunicatiiIP - Internet ProtocolLA - Local AggregatorLEACH - Low Energy Adaptive Clustering HierarchyLML - Local Markov LoopsMA -Master AggregatorMAC - Medium Access Control"Many-to-one" - procedeu de transmitere a datelor de la mai multe surse la o singura destinatieMCFA - Minimum Cost Forwarding Algorithm"Monitoring station" - statie de monitorizare; staţie de centralizareMFR - Most Forward within RadiusMWE - Multiple WinnerNoduri "location-aware" - noduri care îşi cunosc coordonatele de pozitieNs-2 – Network Simulator 2NAM – Network AnimatorPDA - Personal Digital AssistantPEGASIS - Power-Efficient Gathering in Sensor Information SystemsProtocoale "application-aware" - protocoale care se adapteaza la aplicatia curentaProtocoale "cluster-based" - protocoale bazate pe clustereProtocoale "coherent-based" - protocoale coerenteProtocoale "cooperative" - protocoale bazate pe tehnica centralizarii datelorProtocoale "energy-based" - protocoale care utilizeaza tehnici de conservare a energieiProtocoale "multipath-based" - protocoale multicaleProtocoale "negotiation-based" - protocoale bazate pe negocieriProtocoale "position-based" - protocoale bazate pe pozitia nodurilorProtocoale "power-aware" - protocoale care se bazeaza pe tehnici de control al puterii disipateProtocoale "random-walks-based" - protocoale bazate pe rutarea pe cai aleatoareProtocoale "resource-adaptive" - protocoale care au la baza tehnici de conservare a energieiProtocoale "resource-awareness" - protocoale care i?i adapteaza functionarea in funcţie de resursele reţeleiProtocoale "QoS-based" - protocoale bazate pe calitatea serviciuluiProtocoale "query-based" - protocoale bazate pe interogariProtocoale "table-driven" - protocoale bazate pe tabele de rutareREQ - Request; mesaj prin care se solicita datele in reţeaRetea ad hoc - reţea constituita din dispozitive care comunica direct unele cu altele, fără a utiliza un punct de accesRetea "multihop" - reţea caracterizată prin salturi multiple între noduriRetele "wireline" - reţele cu fireRFID - Radio Frequency Identifications SystemsRS - Random SourcesRSA - Rivest Shamir AdlemanRutare "end-to-end" - rutare sursa-destinaţie

56

Rutare "flat" - rutare care se bazeaza pe o structură uniforms a reţeleiRutare "hierarchical" - rutare care se bazeaza pe o structurft ierarhica a reţeleiRutare "hop-by-hop" - rutare pas cu pas (salt cu salt)Rutare "location-based" - rutare care se bazeaza pe locaţiile nodurilor reţeleiQoS - Quality of Service; calitatea serviciuluiSAR - Sequential Assignment Routing"Sink node" - v. monitoring station"Sleep mode" - stare de repaus; stare care caracterizeaza inactivitatea temporary a nodului unei reteleSN - Source NodeSNGF - Stateless Geographic Nondeterministic ForwardingSOP - Self-Organizing ProtocolSPIN - Sensor Protocols for Information via NegotiationST - Soft Threshold"Steady-state phase" - etapa de regim stationarSV - Sensed ValueSWE - Single WinnerTDMA - Time Division Multiple AccessTEEN - Threshold-Sensitive Energy Efficient Sensor Network ProtocolTransmisiune "multicast" - transmisiune de la un singur emitator la mai mulfe receptonTransmisiune P2P ("peer to peer") - transmisiune in care numarul emiţătorilor este egal cu numarul receptorilorTTDD - Two-Tier Data DisseminationTTL - Time to LiveUAV - Unmanned Aerial VehicleVGA - Virtual Grid ArrayWSN - Wireless Sensor Networks

57

5. BIBLIOGRAFIE

[1] K. Holger, A. Willig “Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks”. JohnWiley & Sons 2005

[2] Nirupama Bulusu, Sanjay Jha “Wireless Sensor Networks”, ArtechHouse 2005

[3] Ananda A., Mun Choon Chan, Wei Tsang Ooi “Mobile, Wireless and Sensor Networks – Technology, Applications and Future Directions” IEEE Press 2006

[4] Kay J., Frolik J “QoS Analysis and Control for Wireless Sensor Networks” IEEE 2004

[5] Younis Mohamed, Akkaya Kemal “Energy and QoS aware Routing in Wireless Sensor Networks”

[6] Eltoweissy Mohamed, Wadaa Ashraf, Akkaya Kemal, Younis Mohamed “On handling QoS Traffic in Wireless Sensor Networks”, Proceedings of the 37th Hawaii International Conference on System Sciences, 2004

[7] J. M. Rabaey, M. J. Ammer, J. L. da Silva, D. Patel, and S. Roundy. PicoRadio Supports Ad Hoc Ultra-Low Power Wireless Networking. IEEE Computer, 33(7): 42–48, 2000.

[8] D. Snoonian. Smart Buildings. IEEE Spectrum, 40(8): 18–23, 2003.

[9] D. Estrin, L. Girod, G. Pottie, and M. Srivastava. Instrumenting the World with Wireless Sensor Networks. In Proceedings of the International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP 2001), Salt Lake City, UT, May 2001.

[10] G. T. Huang. Casting the Wireless Sensor Net. Technology Review, pages 51–56, July 2003. www.technologyreview.com.

[11] J. M. Kahn, R. H. Katz, and K. S. J. Pister. Next Century Challenges: Mobile Networking for “Smart Dust”. In Proceedings of ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom 99), Seattle, WA, August 1999.

[12] P. Bonnet, J. E. Gehrke, and P. Seshadri. Querying the Physical World. IEEE Personal Communications, 7(5): 10–15, 2000. http://lecs.cs.ucla.edu/Courses/CS213-Win02/Readings/PCM/Querying.pdf.

[13] A. Mainwaring, J. Polastre, R. Szewczyk, D. Culler, and J. Anderson. Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring. In Proceedings of the 1st ACM Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications, Atlanta, GA, September 2002.

58

[14] L. Schwiebert, S. K. S. Gupta, and J. Weinmann. Research Challenges in Wireless Networks of Biomedical Sensors. In Proceedings of the 7th International Conference on Mobile Computing and Networking (ACM Mobicom), pages 151–165, Rome, Italy, July 2001.

[15] A. A. Abidi, G. J. Pottie, and W. J. Kaiser. Power-Conscious Design of Wireless Circuits and Systems. Proceedings of the IEEE, 88(10): 1528–1545, 2000.

[16] A. Bogliolo, L. Benini, E. Lattanzi, and G. De Micheli. Specification and Analysis of Power-Managed Systems. Proceedings of the IEEE, 92(8): 1308–1346, 2004.

[17] C. Schurgers, V. Raghunathan, and M. B. Srivastava. Power Management for Energy-Aware Communication Systems. ACM Transactions on Embedded Computing Systems, 2(3): 431–447, 2003.

[18] V. Raghunathan, C. Schurgers, S. Park, and M. B. Srivastava. Energy-Aware Wireless Microsensor Networks. IEEE Signal Processing Magazine, 19: 40–50, 2002.

[19] D. Niculescu and B. Nath. Localized Positioning in Ad Hoc Networks. In Proceedings of the 1st IEEE International Workshop on Sensor Network Protocols and Applications (SNPA), Anchorage, AK, May 2003.

[20] S. Roundy. Energy Scavenging for Wireless Sensor Networks. Kluwer Academic Publishers, 2003.

[21] S. Roundy, D. Steingart, L. Frechette, P. Wright, and J. Rabaey. Power Sources for Wireless Sensor Networks. In H. Karl, A. Willig, and A. Wolisz, editors, Proceedings of 1st European Workshop on Wireless Sensor Networks (EWSN), pages 1-17. LNCS, Springer, Berlin, Germany, volume 2920, January 2004..

[22] A. Kansal and M.B. Srivastava. An Environmental Energy Harvesting Framework for Sensor Networks. In Proceedings of the International Symposium on Low Power Electronics and Design (ISLPED), Seoul, Korea, August 2003.

[23] S.-F. Li, R. Sutton, and J. Rabaey. Low Power Operating System for Heterogeneous Wireless Communication Systems. In Proceedings of the 10th International Conference on Parallel Architectures and Compilation Techniques (PACT 01), Barcelona, Spain, September 2001.

[24] J. Hill, R. Szewczyk, A. Woo, S. Hollar, D. E. Culler, and K. S. J. Pister. System Architecture Directions for Networked Sensors. In Proceedings of the 9th International

59

Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems, pages 93–104, Cambridge, MA, 2000.

[25] A. Dunkels, D. Gr¨onvall, and T. Voigt. Contiki – a Lightweight and Flexible Operating System for Tiny Networked Sensors. In Proceedings of the First IEEE Workshop on Embedded Networked Sensors (EmNetS), Tampa, FL, November 2004.

60