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R-MAC : Protocolo de Acesso ao Meio para Consumo Eficiente de Energia em Redes de Sensores Sem Fio. Guilherme Frederico Rohde Mestrando grohde@inf.pucrs.br Eduardo Augusto Bezerra Professor Orientador eduardob@inf.pucrs.br. Tópicos. Introdução Conceitos Básicos Trabalhos Relacionados
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R-MAC: Protocolo de Acessoao Meio para ConsumoEficiente de Energia emRedes de Sensores Sem Fio. Guilherme Frederico Rohde Mestrando grohde@inf.pucrs.br Eduardo Augusto Bezerra Professor Orientador eduardob@inf.pucrs.br
Tópicos • Introdução • Conceitos Básicos • Trabalhos Relacionados • Proposta de Protocolo R-MAC • Validação e Análise dos Resultados • Conclusões
Introdução – Aplicações • Monitoramento Ambiental; • Monitoramento de estruturas em construções (Pontes, Vigas); • Monitoramento de tráfego; • Sistemas de vigilância e segurança; • Computação Pervasiva (casas inteligentes); • Máquinas e Equipamentos (Prensas).
Arquitetura de um nodo Domínio da Comunicação Domínio do Processamento Domínio do Sensoriamento Domínio da Alimentação
Conceitos Básicos Camada de Protocolo em RSSF MAC
Conceitos Básicos • Técnicas de Acesso • FDMA – Frequency Division Multiple Access • TDMA – Time Division Multiple Access • CDMA – Code Division Multiple Access • CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
Conceitos Básicos • FDMA – Frequency Division Multiple Access
Conceitos Básicos • TDMA – Time Division Multiple Access
Conceitos Básicos • CDMA – Code Division Multiple Access
Conceitos Básicos • CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
Conceitos Básicos • Período Listen/Sleep
Conceitos Básicos • Sincronização
Conceitos Básicos • Sincronização
Conceitos Básicos • Problema do terminal escondido
Conceitos Básicos • Problema da estação exposta
Proposta de Protocolo R-MAC • Visão Geral • DCF Distributed Coordination Function • Interframes e Janela de contenção • Pacotes de controle com tamanho reduzido • Ciclo reduzido de operação • Limite inferior de energia de transmissão para sem conectar na RSSF. • Lista de vizinhos • Ajuste da energia de transmissão
Proposta de Protocolo R-MAC Máquina de estados da camada Física Registradores de configuração
Proposta de Protocolo R-MAC Máquina de estados da camada de Enlace
Proposta de Protocolo R-MAC • Envio de mensagem • Recebimento de mensagem
Proposta de Protocolo R-MAC • Recebimento de mensagem
Proposta de Protocolo R-MAC • Funcionalidades do R-MAC • Auto-gerência • Função SN • Energia de Transmissão • Comunicação • Interframes Space • Janela de contenção • Detecção de Erros • Economia de Energia • Listen/Sleep • Função CNO
Função SN – Lista de Vizinhos ADD[F,D] SN ADD[F,D] SN ADD[B,J,D,C] ADD[B,J] ADD[F,C] SN SN ADD[F,D] ADD[B,J,D,C] ADD[B, J] ADD[F,C] SN ADD[J, F] J ADD[B, F] SN SN SN ADD[B,J,D,C] ADD[B,J] ADD[J, F] F,D ADD[F,C] SN ADD[B, F] F SN SN SN B ADD[J, F] B, J B, F, D,C ADD[B, F] SN SN SN F,C D C A F, J B, F, D
Função energia de transmissão Na formação da rede RETr ADD[F,C,A] RET ADD[B] RETr ADD[F,C,A] RET RETr J RET RET ADD[B] ADD[F,C,A] RETr F,D RET F B RET ADD[B] B, F, D,C B, F, D,C B, J RET F,C,A F,C D C C A F, J B, F, D B, F, D B
RET – para traçar novos caminhos. • Identifica sub-rede • Recebe comandos da camada superior
M M D D A A F F K K
Função Controlador de nodos ouvintes - CNO F G ACK RTS Frame CTS D D D ACK RTS Frame CTS ACK RTS Frame CTS H ACK RTS Frame CTS A B E E C C
InterFrame Spacing e Janela de contenção • DIFS (DCF interframe space): é o tempo mínimo que serviços Contention-based devem esperar para ocupar o meio. • SIFS (Short interframe Space) : é um período curto de tempo em que apenas transmissões de alta prioridade, tal como frames RTS/CTS e ACK, podem transmitir.
Detecção de erros • Feita somente em mensagens unicast; • Quando a estação retransmitir o pacote o contador retry é incrementado; • Quando retry alcança um limite determinado o frame é descartado. • O retryé zerado quando: • Um frame CTS é recebido em resposta a um RTS. • Um frame broadcastou multicasté recebido. • A camada de Enlace reconhece que o pacote deve ser descartado
Formato dos Frames Preâmbulo PLCP R-MAC header CRC 8 bits 8 bits Synch SFD 10 10 10 10 11 10 00 11 Synch - identifica o início de uma mensagem SFD - sinalizam o início do delimiter
PLW PSF Formato dos Frames Preâmbulo PLCP R-MAC header CRC 12 bits 4 bits PSF - Taxa de recebimento do pacote. PLW - PCLP Length Word (PLW) número de Bytes a partir de Delimiter (0-4095) PSF- PCLP Signaling Field (PSF) taxa de recebimento do pacote.
Formato dos Frames Preâmbulo PLCP R-MAC header CRC Frame Control Address 1 Address 2 Address 3 Address 4 Frame Body 1 byte 6 bytes 6 bytes 6 bytes 6 bytes 0 - 3867 bytes Frame Control – informações para interpretar a seqüência do campo MAC header Address - endereços de 48 bits Frame Body – pacote de dados
Formato dos Frames Frame Control Address 1 Address 2 Address 3 Address 4 Frame Body • Type – Identifica o tipo de mensagem Type To From Retry CNO 3 bits 1 bits 1 bits 1 bits 2 bits
Formato dos Frames Frame Control Address 1 Address 2 Address 3 Address 4 Frame Body Destination Address (DA) Source Address (SA) Receiver Address (RA) Transmitter ddress (TA) Basic Service Set ID (BSSID) Type To From Retry CNO 3 bits 1 bits 1 bits 1 bits 2 bits
Formato dos Frames Frame Control Address 1 Address 2 Address 3 Address 4 Frame Body • Retry – Identifica se o pacote foi enviado pela primeira vez ou se foi retransmitido Type To From Retry CNO 3 bits 1 bits 1 bits 1 bits 2 bits
Formato dos Frames Frame Control Address 1 Address 2 Address 3 Address 4 Frame Body • CNO – Apresenta o contador CNO da função Contador de Nodos Ouvintes Type To From Retry CNO 3 bits 1 bits 1 bits 1 bits 2 bits
Validação e Análise dos Resultados • Cenário • RSSF dirigida a eventos; • Nodos com Módulo RF “CC1100”; • Freqüência 915MHz; • Energia de transmissão -10dBm; • Taxa de transferência 38,4KHz.
Validação e Análise dos ResultadosModelo de energia Consumo do módulo RF CC1100 915MHz, -10dBm. Tensão base 3V
Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta Frações que o nodo fica no estado ocioso com a taxa de 38,4Kbps:
Frações de tempo dos nodos receptor e emissor em cada estado: Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta A B Frame RTS CTS ACK B Estado Ocioso A Estado TX Estado RX
Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta Tempo de transmissão do quadro completo Tqc : Valores de tDadospara diferentes tamanhos de pacotes:
Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta Fração de tempo dos nodos pelo tamanho dos pacotes:
Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta Cálculo da potência média consumida: Pm de consumo do nodo emissor : Pm de consumo do nodo Receptor :
Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta Cálculo da potência média consumida com ciclo de operação reduzido: Pm de consumo do nodo emissor : Pm de consumo do nodo Receptor :
Validação e Análise dos ResultadosComunicação Direta Cálculo do tempo de vida média: Cálculo do Tvsem o ciclo reduzido: Cálculo do Tvcom o ciclo reduzido em 10%: