Wireless Sensor Networks: a survey A Survey on ... -...
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Wireless Sensor Networks: a survey
&A Survey on Sensor Networks
I. F. Akyildiz, W. Su,Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci
Gustavo Zanatta [email protected] Rogério S. S. [email protected]
Disciplina:Computação Móvel
Tópicos● Introdução ● Aplicações ● Fatores que influenciam o design da rede ● Arquitetura da comunicação ● Conclusão
IntroduçãoSensores podem ser implantados de duas maneiras:● posicionados longe do fenômeno real
"aleatoriamente"● disposição e topologia são cuidadosamente
projetadosRedes de Sensores Sem Fio (RSSF) são densamente implantadas:● no interior de um fenômeno● próximo a um fenômeno
IntroduçãoPrincipais diferenças com as redes ad hoc:● Número de nós da rede é bem maior● Nós são densamente implantados● Nós são propensos a falhas● Topologia pode mudar frequentemente● Usam paradigma de comunicação broadcast● Restrições de hardware● Nós sensores podem não ter identificação
AplicaçõesSão capazes de monitorar uma grande variedade de condições ambientais e físicas:● temperatura● umidade● movimento de veículos● condição relâmpago● pressão● concentração de poluentes
Aplicações● Composição do solo● Níveis de ruído● Presença ou ausência de certos tipos de
objetos● Níveis de estresse mecânicos em objetos● Características como velocidade, direção e
tamanho de um objeto.
Aplicações: MilitaresExemplos de aplicações militares:● Monitorar as forças aliadas, equipamentos e
munições● Vigilância de terrenos críticos● Direcionamento● Avaliação de danos de batalha● Reconhecimento e detecção de ataques
químicos e biológicos e nucleares
Aplicações: Militares
Aplicações: AmbientaisExemplos:● Monitoramento da Terra ● Exploração planetária● Detecção de incêndios florestais● Mapeamento da biocomplexidade do
ambiente● Detecção de inundação● Agricultura de precisão
Aplicações: Ambientais
Aplicações: Ambientais
Aplicações: Ambientais
Aplicações: Ambientais
Aplicações: Saúde● Telemonitorização de dados fisiológicos
humanos● Rastreamento e monitoramento de médicos
e pacientes● Administração de medicamentos
Aplicações: Saúde
Aplicações: DomésticasExemplos: ● Automação doméstica ● Ambiente inteligente
Aplicações: Domésticas
Aplicações: ComerciaisExemplos:● Controle ambiental em edifícios de
escritórios● Museus interativos● Detectar e monitorar roubos de automóveis● Gerenciando o controle de estoque● Monitoramento e detecção de veículos
● A tolerância a falhas é a capacidade de sustentar as funcionalidades da rede de sensores sem qualquer interrupção devido às falhas
● A falha dos nós sensores não deve afetar o
funcionamento de uma RSSF como um todo
Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Tolerância a falhas
● O número de nós de sensores implantados é da ordem das centenas ou milhares
● A densidade pode variar de poucos nós
sensores para centenas de nós sensores em uma região
Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Escalabilidade
● Custo ser inferior a US$ 1 para a rede de
sensores para ser viável
Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Custos US$
Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Hardware
Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Hardware
Requisitos de hardware:● ter um consumo de energia extremamente
baixo,● operar em altas densidades,● ter baixo custo de produção e ser
descartável,● ser autônomo e operar sem supervisão,● ser adaptável ao ambiente.
Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Hardware
Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Topologia
Eles podem ser implantados de diversas formas:● jogados de um avião,● em um foguete de artilharia shell, ou míssil,● arremesso por uma catapulta (a partir de um
bordo do navio, etc),● colocados em uma fábrica, e● colocando um por um, por um ser humano
ou um robô
Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Topologia
Após a instalação, ocorrem mudanças na topologia devido:● mudança de posição,● acessibilidade (devido aos
congestionamentos, ruídos, obstáculos móveis, etc),
● energia disponível,● mal funcionamento, e● individualidades da tarefa.
Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Ambiente
Os sensores podem estar nos mais diversos ambientes, como:● em cruzamentos movimentados,● no interior de uma máquina de grande porte,● na parte funda de um oceano,● dentro de um tornado,● sobre a superfície de um oceano durante um
tornado,● em um campo biologicamente ou
quimicamente contaminado,
Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Ambiente
● em um campo de batalha para além das linhas inimigas,
● em uma casa ou um grande edifício,● em um grande armazém,● ligado a animais,● ligado ao rápido veículos em movimento, e● em um rio em drenagem ou movendo-se.
Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Meio de transmissão
Para permitir o funcionamento global das redes, o meio de transmissão escolhido deve estar disponível em todo o mundo. ● Radio ISM● Infravermelho● Óptica● Sonoro
Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Meio de transmissão
Fatores que influenciam o design da rede de sensores: Consumo energético
● Consumo de energia pode ser dividido em três domínios: sensoriamento, comunicação e processamento de dados.
● Um nó sensor gasta mais energia em comunicação de dados.
● O consumo energético para transmissão de 1 KB a uma distância de 100 m é aproximadamente a mesma para a execução de 3 a 100 milhões de instruções por segundo.
Arquitetura de comunicação: Pilha de Protocolos● Combina consciência de energia e
roteamento,● Integra os dados com os protocolos de rede,● A comunicação é realizada de forma
eficiente pelo meio sem fio,● Promove o esforço cooperativo entre os nós
sensores.
Arquitetura de comunicação: Pilha de Protocolos
Arquitetura de comunicação: Camada Física● Responsável por:
○ Seleção de frequência○ Geração de frequência○ Detecção de sinal○ Modulação○ Criptografia dos dados
Arquitetura de comunicação: Camada Física● Comunicação sem fio por longas distâncias
é cara em termos energéticos e de complexidade de implementação○ Redução do consumo de energia é um fator crítico!
● Esquemas de modulação:○ Binário: mais eficiente○ M-nário: ○ outros: UWB, IR, PPM...
● Projeto de hardware
Arquitetura de comunicação: Camada Física● Questões em aberto:
○ Esquemas de modulação mais precisos○ Estratégias para superação dos efeitos da
propagação do sinal○ Projeto de hardwares mais eficientes e econômicos
Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace● Responsável por:
○ Multiplexação dos fluxos de dados○ Detecção dos quadros de dados○ Controle de acesso ao meio sem fio○ Controle de erro
Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace● Os protocolos MAC devem:
○ Criar a infraestrutura de comunicação salto-a-salto da rede de sensores sem fio
○ Realizar o compartilhamento justo e eficiente dos recursos de comunicação entre os nós sensores
● Priorizar a economia de energia é também
uma questão chave nessa camada
Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace● Controle de Acesso ao Meio
○ Os protocolos MAC existentes não levam em consideração as restrições energéticas das RSSF
○ Os rádios dos nós sensores são menos potentes e alcançam menores distâncias
○ Além disso, a falta de infraestrutura centralizada de uma RSSF adiciona complexidade ao projeto de algoritmo eficientes
Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace● Protocolos MAC para RSSF
○ Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks (SMACS)■ Permite que os nós descubram seus vizinhos e
estabeleçam escalas de transmissão e recepção para se comunicarem sem precisar de líderes.
■ Para que não haja colisões, ao estabelecer canais de comunicação com os nós vizinhos, cada nó assume uma frequência distinta.
■ Estabelecido o canal, a comunicacao e intermitente, embora o rádio transmissor fique desativado quando não há informacoes a transmitir.
Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace● Protocolos MAC para RSSF
○ Eavesdrop-and-Register (EAR): ■ Objetiva oferecer serviço contínuo aos nós móveis
sob condições estáticas ou não.■ Os nós controlam a conexão e decidem quando
encerrá-la, reduzindo a sobrecarga de mensagens na rede.
Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace● Protocolos MAC para RSSF
○ CSMA-Based MAC:■ O CSMA tradicional supõe tráfego contínuo,
enquanto os protocolos baseados em CSMA para RSSF devem suportar tráfego eventual.
■ Dois componentes essenciais: mecanismo de escuta do meio e backoff.
■ Controle de taxa de transmissão adaptativo (ARC) também é importante.
Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace● Protocolos MAC para RSSF
○ Hybrid TDMA/FDMA-Based: ■ Objetivo é encontrar o número ótimo de canais que
minimize o consumo de energia.■ Depende da razão entre o consumo do transmissor e
do receptor.■ Se o transmissor consume muita energia, usa-se o
TDMA■ Se o receptor consume muita energia, então usa-se o
FDMA.
Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace
Protocolo MAC Modo de Acesso ao Canal
Características Especiais
Conservação energética
SMACS e EARAlocação fixa de
espaços de tempo duplos numa frequência
fixa.
Aproveita o fato da largura de banda
disponível ser muito maior que a largura de
banda dos dados sensoriais.
Tempo de wake up aleatório além de
desligar o rádio quando inativo.
Hybrid TDMA/FDMA Frequência centralizada e divisão no tempo.
Número de canais ótimo calculado para um sistema de energia
mínima.
Abordagem baseada no hardware para economia
de energia.
CSMA-Based MAC Acesso aleatório por disputa.
Usa métodos adaptativos para controle de taxa de transmissão.
Tempo de escuta constante para eficiência
energética.
Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace● Modos de Operação de Economia de
Energia ○ Desligar o rádio sempre que inativo pode consumir
mais energia do que deixá-lo ligado diretamente○ Só é eficiente se for maior que um certo threshold
● Mecanismos para Controle de Erros○ Correção de erro (FEC)○ Solicitação de repetição automática (ARQ)
Arquitetura de comunicação: Camada de Enlace● Questões em aberto:
○ Protocolos MAC para RSSF móveis○ Determinar o limite mínimo de restrições energéticas
para o auto-gerenciamento da rede○ Controle de erro de codificação○ Modos de operação de economia de energia
Arquitetura de comunicação: Camada de Rede● Princípios para projeto da camada de redes
em RSSF:○ Eficiência energética○ Foco nos dados○ Agregação de dados é útil apenas quando não
atrapalha o esforço de colaboração dos nós sensores
○ Uma RSSF ideal tem endereçamento baseado em atributos e ciência do local
Arquitetura de comunicação: Camada de Rede● Roteamento baseado na eficiência
energetica (PA,α):○ Maximizar PA da rota○ Minimizar α da rota○ Minimizar o número de saltos até o sink○ Minimizar o PA da rota
● Roteamento baseado nos dados:○ Disseminação de interesses○ Agregação/Fusão, Redução e Adaptação de dados
Arquitetura de comunicação: Camada de Rede● Protocolos de Roteamento para RSSF
○ Minimum Energy Communication Network (MECN):■ Calcula a eficiência energética da rede
○ Small Minimum Energy Communication Network (SMECN):■ Calcula a eficiência energética de uma subrede
interna à rede do MECN
Arquitetura de comunicação: Camada de Rede● Protocolos de Roteamento para RSSF
○ Inundação (Flooding):■ Nó recebe pacote e replica em broadcast para
seus vizinhos■ Condição de parada: se o número máximo de
saltos do pacote foi alcançado ou se o destinatário é o próprio nó
■ Deficiências: implosão, sobreposição (dois nós com mesma região de observação) e não-ciência de recursos energéticos
○ Bisbilhotar (Gossiping):■ Seleciona vizinhos aleatoriamente para receber
dados
Arquitetura de comunicação: Camada de Rede● Protocolos de Roteamento para RSSF
○ Sensor Protocols for Information Via Negotiation (SPIN):■ Antes de enviar os dados completos, o nó fonte
envia uma mensagem broadcast com o descritor dos dados (ADV) para os vizinhos
■ Se o vizinho tiver interesse nesse descritor, então ele envia uma requisição (REQ)
■ O nó fonte envia os dados completos somente para os vizinhos que retornaram uma requisição
Arquitetura de comunicação: Camada de Rede● Protocolos de Roteamento para RSSF
○ Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH):■ Reduz o consumo de energia dos nós através do
revezamento da eleição de líderes■ Nós formam clusters e reportam seus dados
somentes ao respectivos líderes de seus grupos no tempo determinado (TDMA)
■ Os líderes são responsáveis por rotear os dados até o nó sink
■ Ocorre uma nova configuração da rede de tempos em tempos, e novos líderes são eleitos
Arquitetura de comunicação: Camada de Rede● Protocolos de Roteamento para RSSF
○ Directed Diffusion:■ O nó sink envia uma mensagem de interesse
para a rede com um descritor (valor-atributo)■ Cada sensor armazena o interesse em cache■ O interesse é propagado e gradientes da fonte
da informação ao sink são criados■ O dado é então encaminhado ao sink através da
melhor rota (critérios definidos pela aplicação)
Arquitetura de comunicação: Camada de Transporte● Essa camada não funciona bem em RSSF,
apenas em casos de conexão externa com a Internet○ Limitações de hardware○ Nós sensores não podem armazenar grandes
quantidades de dados como um servidor○ Confirmações são muito custosas para as RSSFs
Arquitetura de comunicação: Camada de Aplicação● Protocolos de aplicação para RSSF:
○ Sensor Management Protocol (SMP):■ fornece as operações de software necessárias
para executar tarefas administrativas, como:● introdução de regras relativas à agregação de dados e
agrupamento de nós sensores● troca de dados relativas aos algoritmos de localização● sincronização de tempo entre nós sensores● movimentação dos nós móveis● alternar estado dos rádios entre ligado e desligado● consultar a configuração de um sensor e/ou reconfigurá-lo
Arquitetura de comunicação: Camada de Aplicação● Protocolos de aplicação para RSSF:
○ Task Assigment and Data Advertisement Protocol (TADAP):■ Disseminação de interesses
■ Aviso de disponibilidade de dados
○ Sensor Query and Data Dissemination Protocol (SQDDP):■ Fornece interfaces para usuários realizarem e responderem à
consultas e coletarem respostas recebidas
Conclusão● A flexibilidade, tolerância a falhas, alta
fidelidade de detecção, baixo custo e implantação rápida
● Redes de sensores são extremamente dinâmicas, mesmo na mais estável das situações
● Restrições são muito rigorosas e específicas:○ Consumo de energia○ Capacidade de processamento○ Capacidade de armazenamento
Críticas e Comentários● Preço do hardware subestimado● Referência na sub-área● Data de publicação● Artigo bastante abrangente● Ausência do tema de simulações