Redes de Sensores sem Fio Projeto Integrado: MAC e Roteamento

1. Redes de Sensores sem Fio Projeto Integrado: MAC e Roteamento Rafael Roque Aschoff rra@cin.ufpe.br Orientadores Eduardo Souto - esouto@gprt.ufpe.br Djamel Sadok – jamel@gprt.ufpe.br Grupo de Pesquisa em Redes e Telecomunicações www.gprt.ufpe.br

2. Agenda • Introdução • Aplicações • Desafios • Características • Simuladores • Plataforma de Desenvolvimento • Trabalhos Futuros • Projeto Integrado: MAC e Roteamento • Algoritmo OPER • Interações X-Layer • Simulação e Resultados • Trabalhos futuros

3. Evolução Tecnológica • Na área de microprocessadores • Novos materiais de sensoriamento • Micro sistemas eletromecânicos (MEMS – Micro Eletro-Mecanical System) • Comunicação sem fio Sensores • Físicos • Químicos • Biológicos • Dentre outros Estímulo Introdução

4. Redes de Sensores sem Fio - RSSFs • Grande número de nodos distribuídos • Restrições de energia • Mecanismos de auto-configuração e adaptação • Autônomas • Alto grau de cooperação

5. Aplicação Aplicações de RSSFs • Podem ser homogêneas ou heterogêneas em relação aos tipos, dimensões e funcionalidades dos nodos sensores • Dimensões físicas dos sensores são dependentes do tipo de aplicação

6. Áreas de Aplicação de RSSFs • Industrial Produção Industrial Linha de Montagem

7. Circulatory Net Áreas de Aplicação de RSSFs • Medicina Monitoramento das Condições Físicas

8. Áreas de Aplicação de RSSFs • Meio Ambiente Biologia Marinha Monitoramento de Floresta Monitoramento Sísmico

9. Desafios • Aspectos dinâmicos do sistema • O mundo físico é dinâmico • Indisponibilidade de recursos, particularmente energia • Muitos dispositivos para fazer configuração manual • Projeto é fortemente dependente da aplicação • Energia é restrição • Pré-configuração e conhecimento global do sistema • Problemas específicos

10. Simuladores RSSFs • NS-2   • Padrão para simulação de redes • Muita documentação • Utiliza OTcl e C++. • Dificuldade de uso e aprendizado • Suporte simulações wireless ainda incipiente • Possui apenas um modelo primitivo de consumo de energia • Não trabalha bem com grandes topologias

11. Simuladores RSSFs • SensorSim   • Extensão para o NS-2 • Fornece modelos de bateria, modelos de rádio de propagação e modelos de canais de sensores • Fornece uma leve pilha de protocolos • Há suporte para simulação híbrida • Dificuldade de uso e aprendizado • Pouca documentação

12. Simuladores RSSFs • TOSSIM • Sistema Operacional baseado em componentes denominado de TinyOS • Linguagem NesC – extensão ao C • Gera executável para o simulador em algumas plataformas (Mica, Mica2, Mica2Dot) • Fornece modelos de bateria, modelos de rádio de propagação e modelos de canais de sensores • Interface – único ponto e acesso ao componente • Módulos – prover o código da aplicação • Configuração – conecta as interfaces e suas implementações

13. Simuladores RSSFs • TinyViz  • Interface gráfica para o TOSSIM com código fonte aberto em Java • Conecta-se ao TOSSIM via sockets TCP • Exibe os nodos participantes da simulação • Possibilita criação de Plugins que interagem com a rede.

14. Simuladores RSSFs • TinyViz

15. Plataforma de Desenvolvimento • Microprocessador ATmega103L • 128k Memória de programa • 4k RAM Memória de dados • 8 conversores AD • TR1000 915MHz radio • 50kbps • Signal Strength interface • LEDS • 51-pin expansion connector • 2-AA for power + regulator Mica Main Board

16. Plataforma de Desenvolvimento • Mica Sensor Board- MTS300CA/MTS310CA • Light (Photo)-Clairex CL94L • Temperature-Panasonic ERT-J1VR103J • Acceleration-ADI ADXL202 • Magnetometer-Honeywell HMC1002 • Microphone • Tone Detector • Sounder

17. Projeto Integrado: MAC e Roteamento • OPER - (On-Demand Power-Efficient Routing Protocols) • Conjunto de protocolos de roteamento para redes de sensores sem fio. • OPER-PE (Path Energy-Aware) • Seleção de rotas é realizada através de heurísticas que avaliam o estado energético dos nós que compõem as rotas

18. Mensagens do OPER-PE • Hello – descoberta de vizinhos • Route REQuest – requisição de rota • Route REPly – resposta de rota • Route ERRor – erro na rota

19. Mensagem Hello

20. Mensagem de Requisição de Rota (RREQ)

21. Mensagem de Resposta de Rota (RREP)

22. Mensagem de Erro de Rota (RERR)

23. Interações Cross-Layer • A camada de roteamento e a camada MAC possuem algumas funcionalidades semelhantes: • Requisitos para a bidirecionalidade do link; • Podem implementam testes para bidirecionalidade; • Podem implementar mecanismos de confirmação de mensagens; • Podem detectar problemas no link (enlace ou rota).

24. Propostas do trabalho atual • Atualizar de forma mais rápida e precisa a tabela de vizinhança dos nós; • Inferir sobre possíveis problemas de conectividade entre vizinhos. • Eliminar a mensagem de Hello; • Decidir se o enlace é simétrico para garantir o sucesso das transmissões de mensagens RREP. • Aplicação com conhecimento de rota

25. Simulação e Resultados • Métrica de Desempenho • Taxa de Entrega • Número de Mensagens de Controle • Energia Média Consumida • Ambiente de Simulação • 25, 50, 75 e 100 nós sensores estacionários e homogêneos • Distribuídos uniformemente em um grid com pontos espaçados de 10 metros. • Raio de Rtx= 10m.

26. Taxa de entrega de pacotes

27. Número de Mensagens de Controle

28. Energia Consumida

29. Trabalhos Futuros • Sleep time relativo ao número de vizinhos • Predição de energia • Ajuste da potência do sinal • Qualidade do sinal

30. Referências • I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayorci. “Wireless sensor networks: A survey”. Computer Networks, 38:393-422, March 2002 • A. A. Loureiro, J. M. Nogueira, L. B. Ruiz, R. A. Mini, E. F. Nakamura, C. M. Figueiredo. “Redes de Sensores”. Minicurso, 179-226, XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores, Maio 2003 • L. B. Ruiz, J. M. Nogueira and A. A. Loureiro. “Manna: a management architecture for wireless sensor network”. IEEE Communications Magazine, 41(2):116-125, Feb 2003 • S. Park, A. Savvides and M. B. Srivastava, "SimulatingNetworks of Wireless Sensors“ to appear in the proceedings of  the 2001 Winter Simulation Conference • SensorSim: A Simulation Framework for Sensor Network. http://nesl.ee.ucla.edu/projects/sensorsim • IEEE1451. Smart transducer interface for sensors and actuators. http://standards.ieee.org, 2003 • JPL Sensor Webs. http://sensorwebs.jpl.nasa.gov, 2003 • WINS: Wireless Integrated Network Sensors. http://www.janet.ucla.edu/WINS/ , 2003 • S. Cui, A. J. Goldsmith, and A. Bahai, “Modulation optimization under energy constraints” at Proceedings of ICC’03, Alaska, U.S.A, May, 2003. • S. Singh and C. Raghavendra, “Power efficient MAC protocol for multihop radio networks,” in The Ninth IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 1998, pp. 153–157.

31. Dúvidas? Grupo de Pesquisa em Redes e Telecomunicações www.cin.ufpe.br/~gprt