UBI - Dep. Informática91 Redes Redes/Grafos Redes de Computadores Rede mínima.
Dr. Sergio Takeo Kofuji MSc. Ruslaine B. Andrade...Redes Sensores Considerado uma importante área...
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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.