Tecnologia de Redes deSensores Sem Fio

Dr. Sergio Takeo KofujiMSc. Ruslaine B. Andrade

kofuji,ruslaine{@lsi.usp.br}Grupo de Computação Pervasiva e GRID

Maio, 2003

SumárioIntrodução Características de Redes SensoresArquitetura de um Nó SensorArquitetura de ComunicaçãoBerkeley MOTESConclusãoReferências Bibliográficas

Introdução

Sensor é um dispositivo que mede características do ambiente (umidade, temperatura, altitude, pressão, etc)Redes sensores é um conjunto de sensores que monitoram e transmiteminformações a uma central

Conceitos Uma Rede sensor sem fio consiste de estação base e um número de nóssensores

Nós Sensores

Estação Base

Áreas de Aplicação para Redes Sensores

Considerado umaimportante área de aplicação para redessem fio:

MilitarMédicaComercialIndustrialAmbiental

Processo de Monitoração e controle

Structure andearthquakemonitoring

Militar

Bombeiros e Resgate

Agricultura

Ecologia

Desastres

Terminologia

Sensor: O dispositivoObservador: Usuário/Computador

Fenômeno: Entidade de interesse paraobservação

Características de Rede de Sensores

Características de RedesSensores

Um grande número de pequenos nós sensoresmultifuncionais, baixa potência e custo baixoOs nós sensores consiste de: sensor, processamento de dados, e componentes de comunicaçãoEsforço colaborativo de um grande número de nósPrincipal implicação, consumo de potência

Arquitetura de um Nó Sensor

Arquitetura de um Nó Sensor

ProcessadorEmbedded Transceiver

Memória

Sensor

Bateria

Tempo de vida do sistema

128KB -1Mb

1KB -1MB3 a 100 metros8bits,

10Mhz

Arquitetura - II

Dispositivos SensoresMICADOT3MotesCOST Dust

Fatores de Projeto de RedeSensores

Tolerância a falhasEscalabilidadeCusto de produçãoLimitações de hardwareTopologiaLatência e PrecisãoAmbienteMeio de transmissãoConsumo de potência/Tempo de vida do sistema

Tolerância a falhas:Falhas nos nós não devem afetar a rede

Escalabilidade:O sistema deve ser escalável suficiente paratrabalhar com um grande número de nós(100’s ou 1000’s)

Custo de produção:O custo dos nós sensores é um papel muitoimportante ( < US$1.00 ?...)

TopologiaOs nós sensores são autônomos: a manutenção da topologia torna-se um desafio. Nós sensores são densamente esparramados sobre uma região

Meio de TransmissãoSensores multihop são conectadas pelo meio sem fio:

Rádio Frequência (RF)Infrared (IR)Meio Optico

Requer-se: Transceivers pequenos, de baixo custo e baixo consumo de energiaA maioria dos hardwares para sensores é baseado em RFSmart Dust utiliza meio óptico para transmissãoEscolha do Meio: depende da aplicação.

RádioOpção: banda ISMVantagens do ISM: banda livre, globalmente disponívelDesvantagens: limitação de potência e suscetibilidade a interferência com outrasaplicações existentes

InfravermelhoVantagens: faixa livre, rubustez a interferencia elétricaDesvantagens: visada direta

ÓpticoUtilizado no “Smart dust mote”Dois esquemas de transmissão:

Passiva, usando “corner-cube retroreflector”(CCR)Ativa, usando diodo laser e espelho “steerable”

Consumo de PotênciaFonte de energia limitada (<0.5 Ah, 1.2V –consumido pelo sistema)Tempo de vida dos nós sensores limitado –depende da bateriaCada sensor atua como origem e roteador de dados (processador de dados)Rápido consumo de energia pelos nós (re-transmissão de pacotes e re-organização de topologia)Componentes: sensoriamento, comunicação, processamento.

Arquitetura de Comunicação de Rede de Sensores

Os nós sensores são espalhados em um campo de sensoresNós sensores podem coletar dados e roteardados de volta ao sinkO sink pode comunicar com o task manager node via Internet or Satelite

A arquitetura

PILHA DE PROTOCOLOS

Modelo em camadas

Arquitetura de Protocolos de Redes Sensores

Camada de AplicaçãoObservador interessado no fenômeno

Camada de TransporteMantém Fluxo de dados

Camada de RedeEstabelece caminhos e comunicaçãoentre nós e observador

Camada de EnlaceConsumo de potênciaMinimiza colisões

Camada FísicaModulação robusta, técnica de transmissão e recebimento.

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

CamadasAplicaçãoTransporte

Mantem o fluxo de DadosRede

Trata do RoteamentoEnlace de Dados

Power awareMinimiza colisoões com broadcast de vizinhos

FísicaProvê técnicas simples mas robustas de modulação, transmissão, and recepção.

Planos de GerenciamentoAjudam os nós sensores a coordenarema tarefa de sensoriamento com redução do consumo de energia

Plano de Gerenciamento de PotênciaPlano de Gerenciamento de MobilidadePlano de Gerenciamento de tarefas

Camada de AplicaçãoProtocolo de Gerenciamento de Sensores(SMP)Protocolo de designação de tarefas e Anunciode Dados - Task assignment and data advertisement protocol (TADAP)Protocolo de query de sensor e disseminaçãode dados - Sensor query and data dissemination protocol (SQDDP)

Protocolo de Gerenciamento de Sensor

Provê transparencia de hardware e software das camadas inferiores àaplicação de gerenciamento de sensorSMP acessa o nó através de endereçamento baseado em atributo e baseado em localização

TADAPDesignação de Tarefas

Usários enviam seus interesses ao nósensor

Anuncio de DadosOs nós sensores anunciam a disponibilidade de dados ao usuário

SQDDPUma interface para emitir queries, responder a queries e coletar respostas Nomeação baseado em atributo oulocalização

Exemplo: A localização dos nós com temperatura maior que uma dada temperaturaProposta: Sensor query and tasking language (SQTL)

Camada de TransporteNecessário para que a rede de sensorespossa ser acessada através de outrasredesUDP or TCPUDP – protocolo típico de comunicaçãoentre o sink e o sensor

Camada de RedeSão necessários Protocolos de roteamentomultihop wireless especiais entre os nóssensores e o nó “sink”Principios de Projeto

Eficiencia de PotenciaRede de Sensores são “data centric”Agregação de dadosNomeação baseado em atributo ou localização

Modelos de RoteamentoData Centric Protocol (DC): Fontes enviam dados a um sink, mas é realizadoroteamento dos nós que contém o conteúdo de dados desejados e é então realizado a agregação várias de pacotesAddress Centric Protocol (AC): cada fonte independentemente envia dados sobre o caminho mais curto ao sink (roteamento fim-a-fim)

Roteamento Eficiente em EnergiaMaximum available power (PA)Minimum energy (ME)Minimum hop (MH)Maximum minimum PA node

PA: Available Powerα: Energy required to transmit a data packet through the related link

Roteamento “Data centric”Duas abordagens

Sinks fazem broadcast do interesseNós Sensores fazem broadcast de um avisode disponibilidade de dado

Requer nomeação baseado em atributo

Agregação de DadosAUma técnica usada para resolver osproblemas de implosão e sobreposiçãoem roteamento “data-centric”Dados vindo de multiplos nós sensorescom o mesmo atributo de fenômenosão agregados

Exemplo de Agregação de Dados

InternetworkingNós de Sink podem ser usados comogateways para outras redesPode-se criar um backbone conectando-se os nós sink e fazendo-os acessaroutras redes através de um gateway

Alguns esquemas propostos paraa rede de sensores

Small minimum energy communication network (SMECN)FloodingGossipingSensor protocols for information via negotiation (SPIN)Sequential assignment routing (SAR)Low-level adaptive clustering hierarchy (LEACH)Directed diffusion

SPIN

Camada de Enlace de dadosÉ responsável pela multiplexação do stream de dados, detecção de erro emframe, acesso ao meio e controle de erro

Métodos de Acesso ao MeioMetas:

Criação de uma infraestrutura de redeCompartilhar os recursos de comunicaçãode forma justa e eficiente entre os nóssensores

Os protocolos MAC existentes podemser usados?

Nao – Os protocolos existentes tem comometa fornecer QoS e eficiencia de banda

MAC para Rede de SensoresDeve prover: “built-in power conservation”, gerenciamento de mobilidade and recuperação de falhasEx: uma variante de TDMA, acessoaleatório ao meio, tempos de escutaconstantes e controle adaptativo de taxas pode prover eficiencia de energia

Alguns protocolos MAC protocols propostos para rede de sensores

Algoritmo SMACS and EARMétodo de acesso baseado em CSMAMétodo Híbrido TDMA/FDMA

Protocolos MAC

Tempo de escuta constantes para energia eficiente

Mudança de fase de aplicação e atrasos de pré-transmissões

Acessorandomicobaseado em contenção

CSMA

Hardware para minimizar consumo de energia

Número de canais otimizados para minimizar consumo

Divisão defrequencia (RX) e tempo (TX)

TDMA/FDMA

Ativação quando necessária

Largura de banda maior que taxa de dados sensor

Alocação fixa deslots de tempo

S-MAC ou EAR

Conservação de energia

Especificações de rede

Modo de acesso canal

Protocolo MAC

Modos de Operação paraEconomia de Energia

Método óbvio: desligar o receptorOperação no modo “power saving” éeficiente apenas se o tempo dispendidoneste modo for maior que um dado limiar, em virtude da existencia de transmissão pacotes pequenos de dados

Controle de ErroForward error correction (FEC)

Codificar os dados nates de transmiti-losdiminui a taxa de erros em bit (BER)Custo adicional de potência devido àcodificação e decodificação

Automatic repeat request (ARQ)Limitado pelo custo adicional do overhead de retransmissão

Camada FísicaÉ responsável pela seleção de frequência, geração da frequênciaportadora, detecção de sinal e encriptação de dadosA escolha de um bom esquema de modulação é crítica para umacomunicação confiável

Projetos de Destaque

Berkeley MotesPequeno microcontrolador(menor que 1”) Consiste de:

MicroprocessadorUm conjunto de sensorespara temperatura, luz, aceleração e movimentoBaixa potência de radio paracomunicação com outrosmotes

Compilador C

Berkeley Motes

Família MOTES

TinyOS

Messaging Layer

clocksOther Layers

Routing Layer

Application

Main

iBadge - UCLAInvestiga comportamento de pacientese crianças Características:

Speech recording/replayingPosition detectionDirection detection/estimation(compass)Weather data: Temperature, Humidity, Pressure, Light

iBadge - UCLA

OutrosMIT d'Arbeloff Lab – O anelsensor

Monitora o estado fisiológicoda pessoa e transmite a informação ao médicoatravés da Internet

Oak Ridge National Laboratorio

“Nose-on-a-chip” é um sensor MEMS Ele pode detectar 400 especies of gases and transmite um sinal a sinalindicando o nível a umacentral

Na Indústria

Intel mote project goalsDevelop an enhanced universal mote building block

High platform integration level (core, radio, memory…)Low power operationSmall physical sizeModular HW/SW designSystem power managementLow cost and volume production potential

Support and collaboration on sensor network researchMulti-hop networkingPower aware routing

Detailed research areas

Ultra low power operationSmart wireless communicationBattery lifetime of up to a year

System level integrationCPU and radio component integrationRF direct to antenna outputSystem level partitioning and optimizationIntegration of different technologies

Digital, analog, MEMS, memory…

Power and performance efficient HW reconfiguration

Task specific accelerationFlexibility with good power/performance trade-off

ηη

Project status and direction

11stst generation Intel motegeneration Intel motePackage level integration

22ndnd generation Intel motegeneration Intel moteHW and SW improvements

33rdrd generation Intel motegeneration Intel moteNew integrated design

We are here:Intel mote prototype

2003 2004 2005

UCB mote

FutureSingle chip with layered components

Sensor MEMSNonvolatile storageRF MEMSDigital/analog siliconBattery

2002

Participants• Intel research labs• Academic research• Start-ups

Status• Business model development studied• Feedback from Berkeley Lab collected• CPU/Radio component evaluation done• Architecture specification completed• Second prototype HW/SW created

Firefightingand rescueProcess monitoring

and control

Structure andearthquakemonitoring

Agriculture

Military

900MHz UWB?Zigbee?BT

ARMAtmel

Analog Digital Currentspec

Intel Research mote summaryEnhanced building block for wireless sensor networks

Overview• CPU core

• Wireless radio

• Sensor interface

Applications

1st generation Intel mote goalsProvide improved features

Reliability of radio linksIncreased CPU performanceSecurity featuresModular designReduced cost

Competitive battery lifeAssumed duty cycle <1%HW solutions: power down modesSW solutions: smart networking protocols

Intel mote and sensor net software

Based on TinyOSPort to ARM architecture

Intel mote specific layerBT supportPlatform device drivers

Network layerTopology establishmentSingle- and multi-hop routing

Security featuresAuthenticationEncryption

TinyOS applications

TinyOS base

Network layer

Intel mote layer

Intel mote firmware (BT)

Intel mote hardware

SummaryThe Intel mote project is now ~7 months old

StatusPrototype HW developedTinyOS based SW stack near completionStart of pilot project investigations

Academic and commercial

Challenges for 2003Enable volume production in 1H 2003Promote Intel mote in research and industryDeliver easy to use Intel mote sensor network kitStart design of next generation Intel mote

Conclusões

ConclusõesRedes sensores precisam satisfazer as limitações:

Tolerância a falha, escalabilidade, custo, hardware, mudanças topologicas, ambientes, restriçõesconsumo de potência

Requer-se: novas técnicas de rede paraas camadas da pilha de protocolos de Redes Sensores

Bibliografia

BibliografiaWireless Sensor Networks: a survey –I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci; Broadband and Wireless Network Laboratory. School of Electrical and Computer Engineering. Georgia Institute of Technology – Atlanta USA, 2001.

BibliografiaWireless Integrated Network Sensor –G.J. Pottie, W.J. Kaiser; Electrical Engineering Department at the University of California, Los Angeles. Communications of the ACM – May 2000/vol. 43 No. 5, pg 51-58.

BibliografiaSensor Network Sensor - Deborah Estrin; IEEE International Conference of Mobile Computer and Network (MobiCom 2002).

TinyOS Homepage. http://webs.cs.berkeley.edu/tos/

A Taxonomy of Wireless Sensor Networks –S. Tilak, N.B. Abu-Ghazaleh, W. Heinzelman.

BibliografiaWireless Sensor Networks: A New Regime for Time Synchronization –J. Elson, UCLA & K. Roemer, ETH Zurich.

An Energy-efficient MAC protocol for Wireless Sensor Networks – W. Ye, J. Heidemann, D. Estrin, UCLA

Leituras RecomendadasWireless Sensor Network for Area Monitoring and Integrated Vehicle Health Management Applications – H.O. Marcy, J.R. Agre, C. Chien, L.P. Clare, N. Romanov, A. Twarowski. Rockwell Science Center, Thousand Oaks, CA.

Wireless Sensor Network for Habitat Monitoring – A. Mainwaring, J. Polatres, R. Szewczyk, D. Culler, J. Anderson. WSNA´02, September 2002, Atlanta, Georgia USA.