Redes de Sensores
Gilberto Zonta Pastorello Jr.
MO818 – Tópicos em Redes de Computadores IProf. Edmundo R. M. Madeira
Instituto de Computação – UNICAMP20 de Setembro de 2005
Organização da Apresentação
● 1) Introdução
▪ Visão Geral
▪ Aplicações
● 2) Arquitetura(s)▪ Hardware
▪ Rede: Protocolos
● 3) Aspectos de Redes de Sensores
▪ Rastreamento
▪ Sincronização temporal
▪ Aquisição e Processamento de Dados (Fusão de dados)
▪ Gerenciamento de Energia
▪ Segurança, Confiabilidade e Tolerância à Falhas
▪ Implementação de Redes de Sensores
◦ Distribuição de sensores◦ Auto-organização
● 4) Conclusões
Roteiro
● 1) Introdução● 2) Arquitetura(s)● 3) Aspectos de Redes de Sensores● 4) Conclusões
Introdução: Definições● Sensores: Móveis ou estáticos● Rede: Manual, Wired ou Wireless
● Siglas:
▪ SN: Redes de sensores (Sensor Networks)▪ WSN: Redes de sensores sem fio (Wireless)
● Hits no Google (Ago/2003 –> Set/2005):▪ Sensor networks: ~26,000 –> ~10,200,000
▪ Wireless sensor networks: ~8,000 –> ~3,120,000
▪ Britney Spears: ? –> ~15,500,000
Introdução: Definições
● Sensor:
Dispositivo capaz de realizar medições de variáveis físicas em um ambiente
● Sinais físicos: calor, luz, som, pressão, campo magnético, umidade, presença (ou ausência) de determinado elemento químico, etc.
● Funções de processamento de sinais: geração de dados (conversor analógico/digital)
Introdução: Definições
● “Espectro” de Sensores
Redes de sensoresSatélites
Poucos, grandes e caros.
Grandes capacidades de sensoriamento e
comunicação
Muitos, pequenos e baratos.
Reduzidas capacidades de sensoriamento e
comunicação
DataLoggers,Controladores de tráfego,
Ad-hoc GatewaysEtiquetas
RFID
Introdução: Definições● Redes de Sensores:
Conjunto de sensores capazes de comunicação com outros sensores e/ou com nós controladores
▪ Pequenos sensores + computadores de baixo consumo de energia + rádio-transmissor/receptor + fonte de energia
● Características:▪ Capacidade de auto-organização
▪ Comunicação de curto alcance broadcast e roteamento multihop
▪ Alta densidade e cooperação entre os nós sensores
▪ Topologia com mudanças freqüentes (fading e falhas nos nós)
▪ Limitações em energia, potência de transmissão, memória e poder computacional
Introdução: Definições
● Arquitetura genérica para redes de sensores Servidor
de Rede deSensores
EstaçãoBase
EstaçãoBase
Nós Sensores
Rede
Introdução: Visão Geral
● Classificação de redes de sensores sem fio:▪ Distância da estação base (processamento)
◦ Single hop (non-propagating) / multihop (propagating)
▪ Dependência (processamento+transmissão) de dados◦ Agregador / não-agregador
▪ Distribuição dos sensores◦ Determinística / dinâmica
▪ Esquema de controle◦ Auto-configurável / Não auto-configurável
▪ Domínios de aplicação◦ Diversos
Introdução: Visão GeralWSNs
Número de nós Grande; centenas – milhares Pequeno a médio
Densidade de nós Alta Relativamente baixa
Redundância de dados Alta Baixa
Suprimento de energia
Taxas de dados Baixas; 1 – 100Kbps Alta
Mobilidade dos nós Baixa Pode ser alta
Direção de fluxos Predominantemente unidirecional Bidirecional
Natureza de consultas Baseadas em atributos Baseadas em nós
Broadcast Nó a nó ou broadcast
Endereçamento Sem ID global único ID global único
Pode ser tão baixo quanto 1% Alto
Ad Hoc sem fio
Não-recarregável; baterias insubstituíveis
Recarregável e/ou baterias subtituíveis
Encaminhamento de pacotes
Muitos para um(centrado em dados)
Fim-a-fim(centrado em endereço)
Disseminação de consultas
Ciclo de atividade (duty cicle)
Introdução: Aplicações● Engenharia em geral
▪ Automotiva: sensores em automóveis (dirigibilidade, tráfego, etc.)
▪ Teclados virtuais: usando sensores nas pontas dos dedos
▪ Monitoramento e manutenção de indústrias: sensores no ambiente e robôs equipados com sensores e atuadores
▪ Redução de força de resistência do ar em aviões
▪ Escritórios inteligentes: luz, temperatura, movimento, acionamento por voz, etc.
▪ Rastreamento de mercadorias
▪ Rastreamento de containers e caixas
▪ Estudos sociais/comportamentais: sensores “acoplados” a pessoas
▪ Segurança comercial e residencial
Introdução: Aplicações● Agricultura e Monitoramento Ambiental
▪ Agricultura de precisão: gerenciamento de safras e controles de solo
▪ Exploração planetária: ambientes inóspitos
▪ Monitoramento geofísico: atividades sísmicas
▪ Monitoramento de fontes de água
▪ Estudos de espécies: comportamento de grupo, migração, etc.
▪ Monitoramento de habitat: controle de qualidade ambiental
▪ Detecção de desastres: inundações e incêndios
▪ Transporte de cargas contaminantes: medição de níveis de exposição
Introdução: Aplicações● Engenharia Civil
▪ Monitoramento de estruturas: detecção de falhas estruturais (pontes, barragem, etc.)
▪ Planejamento urbano: concentração de CO2 e umidade do ar para determinar novas rotas
▪ Auxílio em desastres: detecção de sobreviventes
● Saúde e cirurgias
▪ Sensoriamento médico: medições fisiológicas (temperatura do corpo, pressão sanguínea, proliferação de organismos, etc.)
▪ Micro-cirurgias: conjunto de robôs executando cirurgias precisas e pouco invasivas
Introdução: Aplicações● Aplicações militares
▪ Monitoramento e gerenciamento de recursos
▪ Vigilância e monitoramento de campos de batalha
▪ Engajamento urbano: prevenção de reocupação, controle “amigo/inimigo”, localização (por acústica) de invasor, etc.
▪ Proteção: edifícios cercados a longas distâncias por sensores, detecção de armas químicas e biológicas, etc.
▪ Campos de minas auto-organizados: baseados na localização e movimentação inimiga
Roteiro
● 1) Introdução● 2) Arquitetura(s)● 3) Aspectos de Redes de Sensores● 4) Conclusões
Arquitetura
● Hardware▪ Componentes de um sensor
● Rede▪ Como sensores se comunicam▪ Ou pilha(s) de protocolos para WSN
Arquitetura: Hardware
● MEMS (MicroElectroMechanical System)
Arquitetura: Hardware
s0 s1 s2 s3 s4
s5
s6
Estado do Nó MCU Memória Sensor A/D Radio
s0 off off off off offs1 sleep sleep sleep off offs2 standby sleep sleep on offs3 observando sleep sleep on Rxs4 pronto idle sleep on Rxs5 recebendo ativo ativo on Rxs6 transmitindo ativo ativo on Tx
Arquitetura: Hardware
● University of Michigan:▪ Temperatura, pressão, umidade, posição
Arquitetura: Hardware
● Cornell University▪ Acompanhamento de baleias
Arquitetura: Hardware
● UC Berkeley▪ Smart Dust▪ TinyOS▪ Aplicações diversas
Arquitetura: Hardware
● Intel Corp.▪ Arquitetura XScale▪ Bases para WSN
Arquitetura: Rede
● Muitas propostas▪ Algumas “proprietárias”
● Propostas se sobrepõem parcialmente● “Fusão” de camadas
▪ Falta de flexibilidade e sub-otimalidade▪ Eficiência de energia
◦ Pricipalmente MAC (Medium Access Control) e roteamento
Arquitetura: Rede
● Camada física● Camada de enlace
▪ Subcamada MAC● Camada de rede
▪ Roteamento● Camada de transporte● Camada de aplicação
Arquitetura: RedeCamada Física
● IEEE 802.15.1▪ Wireless Personal Area Network (WPAN) – Bluetooth
● IEEE 802.15.4:▪ Low-Rate Wireless Personal Area Network
(LR-WPAN) – ZigBee
● IEEE 802.11▪ Wireless Local Area Network (WLAN) – WiFi
● Espalhamento de freqüência● Saltos de freqüência● Consideração: Consumo de energia
Arquitetura: RedeCamada de Enlace
● Acesso ao meio▪ Subcamada MAC
● Controle de erros▪ Quantidade suficiente de erros (wireless)
Arquitetura: RedeSubcamada MAC
● SN: multihop, auto-organizável e densas● TDMA (Time Division Multiple-Access)
▪ SMACS (Self-organizing MAC for Sensor networks)◦ Nós 'acordam' em tempos pré-definidos (custo de sincronização)
● Híbrido TDMA/FDMA (Frequency Division MA)▪ Transmissor consome mais energia: TDMA
▪ Receptor consome mais energia: FDMA
● CSMA (Carrier Sense Multiple Access)
▪ CSMA tradicionais são ruins (tráfego 'mal' distribuído)
▪ Listening e backoff bem calibrados dão bons resultados
● Polling (elemento central autoriza transmissão)
Arquitetura: RedeControle de Erros
● ARQ (Automatic Repeat Request)▪ Baseado em retransmissão (com custo e
overhead associados)● FEC (Forward Error Correction)
▪ Complexidade de decodificação (custo de processamento)
▪ Adaptável à aplicações específicas▪ Eficiência medida em BER (Bit Error Rate)
◦ Processamento da codificação vs. Potência de transmissão
Arquitetura: RedeCamada de Rede
● Formação de Clusters● Roteamento
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Clusters
Camada 2:Entrega
Camada 1:Processamento
Camada 0:Sensoreamento
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Clusters
● Camadas “físicas”
Camada 1 – Processamento:- Nós com maior
capacidade de processamento e transmissão
Camada 0 –Sensoreamento:- Nós mais simples
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Clusters
Camada n- Nós especializados
.
.
.
Camada 0- Nós mais simples- Rotação de funções
● Camadas “lógicas” ▪ Adaptativas
◦ rotação de funções
▪ Heterogêneas◦ nós com diferentes
capacidades
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Clusters
● Endereçamento▪ Cluster ID▪ ID Geo-referenciado▪ ID funcional
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Protocolos de roteamento para WSNs – Classificação▪ Em geral
◦ Redes flat (sem clusters)◦ Redes hierárquicas (com clusters)◦ Adaptativos
▪ Operação do protocolo◦ Multicaminhos (multipath)◦ Consultas (query)◦ Negociação
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Protocolos para redes flat▪ SAR (Sequential Assignment Routing)
◦ Base: energia, QoS nos caminhos e prioridade do pacote
◦ Multi-caminhos e restauração de caminho◦ Construção de árvore do nó até todas estações base
→Na construção evita-se nós com baixos energia ou QoS
◦ Reconstrução periódica das árvores
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Protocolos para redes flat▪ Directed Diffusion
◦ Dados gerados são pares: <atributo,valor>◦ Data centric: os dados importam, os nós não◦ Agrega dados nos nós intermediários
→Elimina redundância -> diminui número de transmissões◦ “Inunda” (com controle de direcionamento) rede
com consulta ou evento◦ Agrega respostas dos nós capazes de reponder
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Protocolos para redes flat▪ Algoritmo de encaminhamento de custo
mínimo (MCFA)◦ Usa broadcasts◦ Explora direcionamento
→Para estação base→Para sensor
◦ Manutenção de custo estimado de cada nó para estação base e vice-versa
◦ Se nó recebe mensagem (com custo associado) e tem custo menor, retransmite aos vizinhos
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolo LEACH (Low Energy Adaptative
Cluster Hierarchy)◦ Baseado em clusters formados distribuidamente◦ Rotação aleatória dos 'mestres' dos clusters◦ Usa fusão de dados nos nós intermediários◦ Coleta centralizada e periódica
→Para tipos específicos de aplicações ◦ Supõe TDMA e FDMA na subcamada MAC◦ Supõe que todos os nós têm potência para alcançar
estação base (caso seja escolhido 'mestre')
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolo PEGASIS (Power Efficient Gathering
in Sensor Information Systems)◦ Melhora do protocolo LEACH◦ Nós só se comunicam com vizinhos mais próximos◦ Nós se comunicam com estação base em turnos◦ Nós próximos: intensidade (potência) do sinal◦ Ainda supõe que todos alcançam estação base◦ Supõe que nós conhecem posição de todos os outros◦ Supõe que todos os nós têm mesmo nível de energia e
falharão após o mesmo período de tempo
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolos TEEN (Threshold-sensitive Energy
Efficient sensor Network) e AP-TEEN (Adaptative Periodic TEEN)
◦ Uso em aplicações em que tempo é importante◦ Escuta contínua ao meio, menos transmissões◦ 'Mestre' envia limiar e uma margem a partir dos quais
os nós sabem que devem transmitir ou não→Limiar atingido: inicia transmissão das medições
◦ Gasta mais energia que os demais◦ AP-TEEN adapta limiar e margem de acordo com
aplicação
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolos SMECN (Small Minimum Energy
Communication Network)◦ Calcula sub-rede que seja eficiente (energia)◦ Sub-rede baseada no alcance (potência do sinal)
do nó 'mestre'◦ Protocolo 'local' para consumo de energia: encontra
caminho mínimo local, não global
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolo Fixed-Size Cluster Routing
◦ Cria clusters de acordo com área geográfica◦ Nós 'combinam' quem vai ficar acordado e quem
vai ficar em espera◦ Para atingir próximo nó, potência do sinal deve ser
suficiente (de acordo com a distância do próximo nó acordado)
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolo Virtual Grid Architecture Routing
◦ Agrega dados em nós intermediários◦ Agregação local e global◦ Supõe topologia conhecida, fixa e eqüidistante◦ Escolha dinâmica de mestres, agregadores locais e
agregadores globais
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Protocolos para redes hierárquicas▪ Protocolo Hierarquical Power-Aware Routing
◦ Grupos de sensores geograficamente próximos◦ Cada grupo 'escolhe' quais outros grupos serão
usados para rotear dados◦ Escolha baseada em capacidade residual de energia
em cada grupo◦ Controlador global (nó com mais energia)
→ Calcula grafo direcionado para determinar rotas
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Protocolos adaptativos▪ Família de protocolos SPIN (Sensor Protocols for
Information via Negotiation)
▪ Disseminação de informações sobre todos os nós para todos os outros (todos são encarados como potenciais estações base)
▪ Nós têm 'nome' (baseado nos tipos de dados que coletam)
▪ O que é enviado são metadados sobre o que é coletado; dados só são enviados quando há consulta
▪ Mensagens: ADV (dado novo), REQ (consulta) e DATA (dado é enviado a nós vizinhos)
▪ Nós participam do protocolo somente se podem agregar novos dados às consultas
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Protocolos adaptativos
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Operação:▪ Baseados em multicaminhos (multipath)
◦ Falhas em caminhos podem ocorrer◦ Manter mais de uma opção de caminho diminui
chances de isolamento◦ Manutenção desses caminhos por mensagens
periódicas◦ Múltiplos caminhos com intersecção diminui overhead
da técnica◦ Escolher caminho disponível com mais energia
residual diminui consumo de energia→ Equilíbrio entre energia residual e custo de se
usar o caminho (em termos de energia)
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Operação:▪ Baseados em consultas (queries)
◦ Nós não transmitem dados (ou grande parte dos dados) a não ser que sejam consultados
◦ Respondem somente a consultas às quais podem agregar dados inéditos
→ Redundância da localização, etc.◦ Normalmente usa-se agregação de dados nos
nós intermediários
Arquitetura: RedeCamada de Rede – Roteamento
● Operação:▪ Baseados em negociação
◦ Descritores de dados (metadados) são usados para determinar:
→ Dados que devem trafegar→ Utilização global de recursos da rede de sensores
◦ Busca eliminar repetições nas transmissões de dados
Arquitetura: RedeCamada de Transporte
● 'Mistura' com camada de rede● Poucas propostas● Dependente de aplicação
▪ Níveis de confiabilidade; controle de congestionamento; etc.
Arquitetura: RedeCamada de Transporte
● Sensor -> Estação Base▪ Fluxos correlatos (e.g., mesmo evento)
◦ Menor importância para perdas (e.g., congestionamento)
▪ Event-to-Sink Reliable Transport (ESRT)
● Estação Base -> Sensor▪ Binário de SO; Reconfigurações; Reprogramação /
Retasking; Consultas; Comandos; etc
▪ Maior importância para perdas
▪ Pump Slowly, Fetch Quickly (PSFQ)◦ Disseminação de pacote lenta, recuperação de
perda de pacote rápida
Arquitetura: RedeCamada de Aplicação
● Aplicações diversas (já mostradas)
● Sensor Management Protocol (SMP)▪ Acessibilidade (Internet)
▪ Gerenciamento: método de agregação de dados; nomenclatura de atributos; métodos de clustering; rastreabilidade; sincronização temporal; ligar/desligar sensores; verificação de status; autenticação e segurança; etc.
● Task Assignment and Data Advertisement Protocol (TADAP)
▪ Disseminação de interesse: o que se quer 'sensorear'
● Sensor Query and Data Dissemination Protocol (SQDDP)
▪ Interface para consultas e recuperação
Arquitetura: Hardware + Rede
Funcionalidades de WSNs- Configuração- Manutenção- Sensoreamento- Processamento- Comunicação
Áreas funcionaisGerenciamento:- Configuração- Falhas- Desempenho- Segurança- Contabilidade
Níveis de Gerenciamento:- de negócio- de serviço- de rede- de elemento de rede- elemento individual
Roteiro
● 1) Introdução● 2) Arquitetura(s)● 3) Aspectos de Redes de Sensores● 4) Conclusões
Rastreamento● Importante quando a distribuição é aleatória
e dinâmica● Posição geográfica
▪ Semântica do dado medido; e
▪ Controle nas camadas de rede e enlace
● Três técnicas:▪ GPS (Global Positioning System)
▪ Alcance + ângulos:◦ Alguns nós têm posição conhecida (estática ou GPS)◦ Posicionamento é somente relativo
Sincronização Temporal
● Tipos de sincronização:▪ Time servers fixos (e confiáveis)▪ 'Tradução' de tempo pela rede (atrasos)▪ Rotação de nós 'mestres' como time servers
Aquisição e Processamento de Dados (Fusão de dados)
● Aquisição envolve:▪ Tradução de sinal analógico em digital
▪ Tratamento dos ruídos do sinal (processamento)
● Processamento dos dados gerados pelo conjunto de sensores:
▪ Nós combinam dados para gerar leituras consistentes (menor precisão, menor gasto de energia)
▪ Nós transmitem todos os dados adquiridos (maior precisão, maior redundância, mais energia)
Fusão de dados
● Tipos de Fusão de dados
FusãoCentralizada
FusãoHíbrida
FusãoLocal
- Dados não-processadosdisseminados em local centralizado
- Alta largura de banda noslinks de comunicação
- Processamento local mínimo
- Resultados (dados processados)disseminados em local centralizado
- Baixa largura de banda noslinks de comunicação
- Processamento local maior
Gerenciamento de Energia● Um nó de uma SN usa bateria (limitada)
▪ Insubstituível e não-recarregável
● Componentes eficientes▪ Processador, memória, conversor A/D, rádio
● Protocolos eficientes
▪ Camadas: física, MAC, rede (roteamento), transporte e aplicação
● Gerenciamento: transmissão vs. processamento dos dados obtidos
● Modos operacionais▪ off, sleep, standby, idle, active, on
Segurança, Confiabilidade e Tolerância à Falhas
● Propriedades parecidas com redes sem fio (especialmente redes Ad Hoc)
● Diferenças (e desafios em aberto)▪ Ambientes hostis (mal funcionamento)
▪ Recursos limitados (e.g., criptografia)
▪ Processamento “na rede” (chave para grupo), captura de um nó compromete grupo
▪ Arquiteturas específicas para cada aplicação◦ Soluções de segurança sob medida (difícil!)
Implementação de Redes de Sensores
● Distribuição de sensores▪ Distribuição determinística
▪ Distribuição aleatória
▪ Distribuição pseudo-aleatória◦ Influências não-mensuráveis
● Auto-organização▪ Rede se configura baseada no ambiente
▪ Reconfiguração automática com mudanças
▪ Determinação do status global da rede e do ambiente
Conclusões● Redes de sensores são MUITO limitadas do ponto de
vista de gasto de energia ▪ Não tende a mudar
● Diferenças, do ponto de vista de Redes, estão principalmente no controle de acesso ao meio (MAC) e nos mecanismos de roteamento
● Aplicações 'direcionam' pesquisa nessa área
▪ Protocolos específicos● Aspectos exclusivos da área (rastreamento, fusão de
dados, gerenciamento de energia nos protocolos, etc.)
● Maior parte dos testes das propostas são feitas em simulações, sem ambientes físicos reais
ReferênciasHandbook of Sensor Networks: Compact Wireless and Wired Sensing Systems, Mohammad Ilyas e Imad Mahgoub (eds.), 2005, CRC Press.
Wireless Sensor Networks — Architectures and Protocols, Edgar H. Callaway, 2004, CRC Press.
Documentos do IEEE 802.11 WG
Documentos do IEEE 802.15 WG
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