Projeto Integrado entre Protocolos MAC e Roteamento em ... · v Agradecimentos Inicialmente, eu...

Michelle Nery Nascimento

Projeto Integrado entre Protocolos MAC e

Roteamento em Redes de Sensores sem Fio

Dissertacao de Mestrado apresentada ao Pro-

grama de Pos-Graduacao em Informatica

da Pontifıcia Universidade Catolica de Mi-

nas Gerais, como requisito parcial para a

obtencao do grau de Mestre em Informatica.

Orientador: Raquel A. F. Mini

Belo Horizonte

Setembro 2008

i

PONTIFICIA UNIVERSIDADE CATOLICA DE MINAS GERAIS

Programa de Pos Graduacao em Informatica

PROJETO INTEGRADO ENTRE PROTOCOLOS MAC E

ROTEAMENTO EM REDES DE SENSORES SEM FIO

Michelle Nery Nascimento

Belo Horizonte

2008

iv

Ao Joao Pedro, Marcelo, Felipe, Jose e Raquel, pessoas especiais em minha

vida.

v

Agradecimentos

Inicialmente, eu gostaria de agradecer a Deus, que em todos os momentos esteve presente

comigo. Entretanto, nos mais difıceis, carregou-me em seus bracos e ajudou-me a chegar ate

aqui. Obrigada Senhor pela minha vida e por suas bencaos.

Ao meu filho Joao Pedro eu gostaria primeiramente, de pedir desculpas pelas ausencias,

pelas omissoes em certos momentos, em alguns finais-de-semana e brincadeiras e agradecer

por todo o seu amor, carinho, paciencia e principalmente pela sua existencia. Voce e a luz da

minha vida, uma bencao de Deus, a razao e o incentivo de toda a minha batalha. Meu filho,

eu amo voce com toda a forca do meu coracao. Obrigada por ser meu filho...

Aos meus pais: Adezir e Ruy, nao sei como agradecer, pois nao existem palavras que possam

expressar todo o amor que sinto por voces ou agradecer tudo o que voces fizeram e fazem por

mim. Com certeza, sem voces, esta conquista jamais seria possıvel. Um agradecimento especial

a minha mae que, em alguns momentos, foi mae, amiga, confidente, ouvinte, baba, na verdade

foi o meu auxiliar de Deus aqui na Terra.

Ao meu esposo Jose, quero agradecer de forma carinhosa por todo o seu apoio, pela

paciencia nos momentos de ausencia, pela compreensao, pela ajuda ao assumir os meus de-

veres da casa, pelas palavras de apoio nos momentos de desespero. Enfim, sua presenca foi

fundamental para que este trabalho se realizasse.

Gostaria de agradecer aos meus irmaos Marcus Paulo e Marcelo e a minha cunhada Juliana,

pelo amor, carinho, conselhos e paciencia. Ao Marcus e a Ju, um agradecimento mais que

especial pelo Guilherme, ele e um presente abencoado em nossas vidas. Ao Marcelo eu gostaria

de manifestar um agradecimento especial pela ajuda nos trabalhos de PAA e FTC, pelas

aulas gratuitas (e foram muitas horas), pelos puxoes de orelha, pelas correcoes nos textos,

pela paciencia nos momentos de choro e principalmente pela sua competencia e dedicacao a

profissao, que se tornaram para mim um espelho a ser seguido.

Aos amigos do laboratorio da PUC Minas: Giovana, Leonardo, Jose, Sandro, Cristiano

e tantos outros, gostaria de agradecer pelas crıticas, discussoes e comentarios. Obrigada por

todos os momentos compartilhados e tambem pela ajuda, pelos ensinamentos e pelos momentos

de descontracao, jamais esquecerei voces.

Aos amigos do laboratorio 3053 da UFMG: Heitor, Guilherme, Leandro, Fernanda, Guidoni,

Daniel Goulart, Max, Felipe e Pedro, obrigada. Voces se tornaram parte da minha famılia.

vi

Foram muitos momentos inesquecıveis, de alegria e trabalho. Com voces aprendi muito e

carregarei estes ensinamentos sempre comigo. Voces foram e sao especiais. Ao DG meu muito

obrigada pela ajuda, voce foi uma pessoa bacana e jamais esquecerei tudo o que voce fez por

mim.

Um agradecimento especial ao Felipe, voce se tornou um irmao para mim. Obrigada pelos

ouvidos sempre a disposicao para meus lamentos, aos momentos descontraıdos, aos momentos

de trabalho... Enfim, obrigada por tudo. Voce e uma pessoa realmente especial. Com certeza

sem voce, este trabalho nao seria possıvel.

Gostaria de agradecer a professora Raquel Mini. A sua ajuda, atencao, trabalho, ori-

entacao e dedicacao. O seu comprometimento e profissionalismo sao exemplos para minha

vida. Obrigada por me acalmar nos momentos mais difıceis e tambem pelas cobrancas, que

foram essenciais para o cumprimento deste trabalho. Enfim, trabalhar com voce e gratificante.

Gostaria de agradecer tambem ao professor Loureiro, que tao bem me recebeu no labo-

ratorio da UFMG, permitindo a minha presenca no mesmo durante a fase final deste trabalho.

Obrigada por tudo o que tem me ensinado, pelo carinho e pelo respeito.

A professora Fatima, gostaria de agradecer pela aulas da disciplina de computacao movel e

pela presenca em minha banca examinadora. Tenho certeza que seus ensinamentos agregarao

bastante em minha vida.

Aos amigos e parentes, quero agradecer pelo carinho e pela forca que me deram.

vii

Nao! Nao tenho um caminho novo.

O que eu tenho de novo

e o jeito de caminhar

Thiago de Mello

Resumo

Uma das principais tarefas das Redes de Sensores sem Fio (RSSFs) e transportar in-

formacoes dos nos sensores ate o no sink ou no sorvedouro. Por este motivo, comunicacao de

dados e de suma importancia no projeto dessas redes. Uma vez que a comunicacao de dados e

a atividade da rede que mais consome energia, e necessario reduzir a comunicacao entre os nos

para economizar energia. Algumas aplicacoes em RSSFs sao sensıveis ao atraso, desta forma,

a entrega dos dados deve satisfazer determinadas restricoes de tempo a fim de serem aceitaveis

para o usuario. Neste caso, protocolos de comunicacao de dados devem ser projetados levando

em consideracao a latencia na entrega dos dados. A camada de controle de acesso ao meio

(MAC) e a camada de rede sao responsaveis pela comunicacao de dados. Devido a restricao

de energia em RSSFs, e importante que tanto os protocolos MAC quanto os protocolos de

roteamento sejam robustos, ou seja, que eles possam lidar com problemas na comunicacao de

dados. Diferentemente das redes tradicionais que sao projetadas para acomodar uma grande

variedade de aplicacoes, as RSSFs normalmente sao projetadas levando-se em consideracao

uma aplicacao especıfica. Considerando essa grande especificidade das aplicacoes para tais

redes, melhorias significativas de desempenho podem ser alcancadas se o controle e a troca

de informacoes entre duas ou mais camadas de protocolos forem otimizados. Essa tecnica e

denominada projeto integrado. Aplicar tecnicas de projeto integrado entre as camadas MAC

e de rede pode levar a ganhos significativos de desempenho, uma vez que cada uma dessas

camadas tem informacoes que podem ser uteis para a outra. Neste trabalho, e proposto o

SMAC-RC (Sensor MAC for Routing on a Curve), um protocolo cuja ideia basica e adaptar o

protocolo S-MAC (Sensor MAC ) para ser usado com o TBF (Trajectory Based Forwarding).

A solucao proposta pelo projeto integrado permite que esses protocolos cooperem para pro-

porcionar melhorias no desempenho de ambos, reduzindo a complexidade da implementacao

e minimizando a latencia na rede. Resultados de simulacao resultados mostram que o SMAC-

RC reduz significativamente a latencia na entrega dos dados, e melhorar a cobertura da rede.

Palavras-chave: Redes de Sensores sem Fio, Roteamento, Projeto Integrado, Camada MAC.

Abstract

One of the main tasks of Wireless Sensor Networks (WSNs) is to transport information from

sensor nodes to the sink node. Therefore, data communication is of paramount importance

in the design of these networks. Since the data communication is the activity of the network

that consumes more energy, it is necessary to reduce the communication between nodes in

order to save energy. Some WSN applications are delay sensitive in a way that the data has

to satisfy certain time constraints in order to be acceptable to the user. In this case, data

communication protocols have to be designed taking into account the latency in the delivery

of the data. The medium access control layer (MAC) and the network layer are responsible

for data communication. Due to the energy restriction in WSNs, it is important that both

MAC and routing protocols be robust in a way that they can deal with problems in the data

communication. Different from the traditional networks that are designed to accommodate

a wide variety of applications, WSNs are typically designed taking into account a specific

application. Considering the great specificity of the WSN application, significant performance

improvements can be achieved if we optimize the control and the exchange of information over

two or more protocol layers. This technique is called cross-layer design. Applying cross-layer

techniques between the MAC and network layers can lead to significant improvement of perfor-

mance, since each of these layers has information that may be useful to the other. In this work,

we propose the SMAC-RC (Sensor MAC for Routing on a Curve) protocol whose basic idea

is to adapt the S-MAC (Sensor MAC) protocol to be used with the TBF (Trajectory Based

Forwarding). The proposed cross-layer solution allows that these protocols cooperate to pro-

vide improvements in the performance of both, reducing the complexity of the implementation

and minimizing the latency in the network. Simulation results show that the SMAC-RC re-

duces significantly the latency in the delivery of the data, and improve the network’s coverage.

Key-words: Wireless Sensor Network, Routing, Cross-Layer Design, Medium Access Control.

ii

Conteudo

Lista de Figuras iv

Lista de Tabelas vi

1 Introducao 1

1.1 Motivacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Objetivos e Contribuicoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Organizacao do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Trabalhos Relacionados 6

2.1 Redes de Sensores sem Fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Camada MAC em RSSFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.1 Desafios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.2 Protocolos MAC para RSSFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Sensor MAC (S-MAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.1 Funcionamento Basico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.2 Perıodos de Escuta e Dormencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3.3 Sincronizacao, Tabela de Programacao e Lista de Vizinhos . . . . . . . 16

2.3.4 Atualizando e Mantendo Programacoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3.5 Descoberta de Vizinhos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.4 Roteamento em RSSFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4.1 Desafios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4.2 Roteamento em Curva em RSSFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.5 Projeto Integrado em RSSFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.6 Conclusoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3 S-MAC para Roteamento em Curva 32

3.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

iii

3.2 Funcionamento Basico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3 Envio de Pacote no No Sorvedouro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.4 Propagacao do Pacote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.5 Conclusoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4 Resultados de Simulacao 38

4.1 Cenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.2 Latencia na Transmissao de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.3 Cobertura da Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.4 Transmissao e Recepcao de Pacotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.5 Energia Residual na Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.6 Nos Mortos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.7 Conclusoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5 Conclusoes e Trabalhos Futuros 46

Bibliografia 47

iv

Lista de Figuras

1.1 Tipos de comunicacao de dados em RSSFs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1 Nos sensores dispersos em uma area de sensoriamento [Lab08]. . . . . . . . . . 7

2.2 Esquema basico do protocolo T-MAC, com ciclos de atividades adaptaveis

[vDL03]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3 Perıodos de escuta e dormencia [YHE02]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4 Formato de um frame no S-MAC [Che05]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.5 Pontos de verificacao em um frame S-MAC [Che05]. . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.6 Perıodos no S-MAC [Che05]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.7 Relacao entre atualizacao da lista de vizinhos e perıodo de sincronizacao [Che05]. 21

2.8 Escolha do proximo no, sendo N0 o atual [Mac05]. . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.9 Funcionamento basico do TBF [Mac05]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.10 Taxonomia de projetos integrados baseada em acoplamento entre as camadas

[SM05]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.11 Taxonomia de projetos integrados baseada na implementacao [SM05]. . . . . . 29

3.1 Compartilhamento de informacao entre camadas. . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2 Escolha do proximo no a propagar o pacote no TBF. . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3 Escolha dos nos que participarao da lista de roteamento. . . . . . . . . . . . . 34

3.4 Propagacao de pacotes no no sorvedouro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.5 Primeira disseminacao de dados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.6 Propagacao de pacotes na camada de rede dos nos sensores. . . . . . . . . . . 36

3.7 Escolha dos proximos nos pelo TBF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.8 Propagacao de pacotes na camada MAC dos nos sensores. . . . . . . . . . . . 37

4.1 Protocolos dos cenarios avaliados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.2 Consumo de energia em funcao do duty cycle para o S-MAC. . . . . . . . . . . 40

4.3 Latencia em funcao da distancia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

v

4.4 Porcentagem dos nos alcancados por disseminacao. . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.5 Razao de pacotes recebidos pelos transmitidos em funcao do tempo. . . . . . . 42

4.6 Energia residual em funcao do tempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.7 Porcentagem de nos mortos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

vi

Lista de Tabelas

2.1 Tabela quadro SYNC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.1 Parametros de configuracao da rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1

Capıtulo 1

Introducao

1.1 Motivacao

Pesquisas recentes tem demonstrado a possibilidade de integracao entre sensoriamento,

processamento e comunicacao de dados em dispositivos diminutos utilizando a tecnologia de

comunicacao sem fio e sistemas microeletronicos de forma a fundamentar um novo paradigma

denominado Redes de Sensores sem Fio (RSSFs) [ASSC02]. Essas redes possuem algumas

caracterısticas basicas que as diferem de outras redes, tais como: grande numero de elementos

distribuıdos para garantir boa resolucao de sensoriamento, funcionamento sem intervencao

humana, topologia dinamica, facil adaptacao a qualquer tipo de ambiente, limitacoes com-

putacionais e de energia, alem de serem desenvolvidas para aplicacoes especıficas [ASSC02].

Devido a essas caracterısticas, RSSFs apresentam alguns desafios, sendo a restricao de

energia o maior deles. Essas redes sao frequentemente projetadas para monitorar ambientes

de difıcil acesso ou ambientes onde a presenca do homem e restringida. Por isso, a troca

das baterias dos nos sensores e praticamente inviavel, o que exige que essas redes possuam

mecanismos de auto-configuracao para superar falhas na comunicacao e contornar problemas

como, por exemplo, a perda de nos sensores [ASSC02].

Uma das principais tarefas das RSSFs e transportar informacoes dos nos sensores ate o

no sink ou no sorvedouro. Por este motivo, comunicacao de dados e de suma importancia no

projeto das RSSFs e pode ser definida como o processo de enviar pacotes de um elemento de

origem ate um elemento de destino atraves de uma rota. Existem tres tipos de comunicacao

de dados nestas redes, como mostrado na figura 1.1 [dVMGM+05]. A primeira ocorre dos

sensores para o no sorvedouro e e conhecida como coleta de dados, como ilustrado na figura

1.1-(a). Na figura 1.1-(b), a comunicacao ocorre entre os nos sensores, esta forma de comu-

nicacao e denominada cooperacao de dados. Na figura 1.1-(c), a comunicacao ocorre do no

sorvedouro para os nos sensores e e denominada disseminacao de dados. Na coleta de dados, a

comunicacao e usada para enviar informacoes sensoriadas e coletadas pelos nos ou para enviar

uma informacao de controle para o sorvedouro. Na cooperacao de dados, a comunicacao e

CAPıTULO 1. INTRODUCAO 2

utilizada para realizar alguma colaboracao. Um exemplo e quando os sensores necessitam

trocar informacoes sobre a posicao de um objeto sensoriado e envia-la para o sorvedouro. Na

disseminacao de dados, a comunicacao e utilizada para propagar informacoes para o conjunto

de nos selecionados [dVMGM+05]. Este trabalho ira tratar a comunicacao do no sorvedouro

para os sensores ou disseminacao de dados.

(a) Coleta de dados. (b) Cooperacao. (c) Disseminacao de dados.

Figura 1.1: Tipos de comunicacao de dados em RSSFs.

A comunicacao de dados e a atividade da rede que mais consome energia, sendo seu con-

sumo algumas ordens de grandeza maior que o consumo no processamento [PK00]. A camada

de controle de acesso ao meio (MAC) e a camada de rede sao responsaveis pela comunicacao de

dados. Devido a necessidade de consumo reduzido de energia em RSSFs, e de suma relevancia

que tanto os protocolos de roteamento quanto os protocolos de controle de acesso ao meio

sejam robustos, isso e, que eles consigam contornar eventuais problemas na propagacao da in-

formacao pela rede, evitando, assim, que a informacao seja perdida ou que ela seja reenviada,

o que representa uma elevacao do consumo de energia na comunicacao.

Diferentemente das redes tradicionais que sao projetadas para acomodar uma grande vari-

edade de aplicacoes, as RSSFs normalmente sao projetadas levando-se em consideracao uma

aplicacao especıfica. Considerando a grande especificidade das aplicacoes para RSSFs, melho-

rias significativas de desempenho podem ser alcancadas se o controle e a troca de informacoes

entre duas ou mais camadas de protocolos forem otimizados de forma que interacoes entre as

camadas sejam exploradas. Essa tecnica e denominada projeto integrado e ela tem recebido

muita atencao por parte dos pesquisadores da area de RSSFs nos ultimos anos [SL06].

Aplicar tecnicas de projeto integrado em protocolos de comunicacao de dados cientes da

energia e extremamente importante, uma vez que o custo de energia da comunicacao e maior

que o custo de processamento [PK00]. Por isso, o projeto integrado entre as camadas MAC

e de rede pode levar a ganhos significativos de desempenho, uma vez que cada uma dessas

camadas tem informacoes que podem ser uteis para a outra. Como exemplo, alguns protocolos

de roteamento requerem uma tabela de vizinhos atualizada para que o proximo no da rota

seja escolhido. Essa tabela deve conter a informacao de quais nos estao acordados e quais

estao dormindo. Essa informacao pode ser obtida da camada MAC uma vez que essa camada


e a responsavel por desligar e ligar o radio dos nos sensores. Alem disso, como a topologia

das RSSFs e dinamica, porque nos podem morrer, nos podem falhar e mudar sua localizacao,

e necessario atualizar essa tabela periodicamente a medida que os nos vao para o estado de

dormencia. Portanto, devido ao custo de energia associado a atualizacao dessa tabela, o pro-

tocolo de roteamento pode tirar vantagem de um projeto integrado com a camada MAC. Alem

disso, o projeto integrado entre a camada MAC e a camada de rede pode economizar energia

reduzindo o numero de colisoes. Como exemplo, protocolos de roteamento probabilısticos, tais

como o Gossiping [HHL06], podem usar a informacao sobre o numero de colisoes, fornecida

pela camada MAC, para mudar a probabilidade de envio. Portanto, tecnicas de projeto inte-

grado entre as camadas MAC e de rede constituem um topico de pesquisa bastante promissor

que merece ser melhor investigado.

Alguns algoritmos que utilizam uma tecnica baseada em trajetorias, ou disseminacao sobre

curvas, tem sido propostos para rotear pacotes em RSSFs. A ideia basica dessa tecnica

e inserir uma trajetoria no pacote e cada no intermediario decidir qual o proximo no que

enviara o pacote baseado na sua distancia em relacao a essa trajetoria [NN02]. A inovacao

na disseminacao sobre curvas e que as rotas ou trajetorias estabelecidas sao descritas como

uma funcao contınua pois o no origem determina todo o caminho pelo qual o pacote sera

roteado ate o seu destino, e nao como um conjunto discreto de pontos, no qual o no origem

insere no pacote todos os nos da rota. A escolha do proximo no a propagar o pacote pode ser

feita considerando alguma polıtica, tais como o vizinho mais proximo a curva, o vizinho mais

proximo ao destino ou uma escolha aleatoria [NN02, NN03]. Em [NN02, NN03], e proposto

o protocolo Trajectory Based Forwarding (TBF), uma tecnica para disseminar pacotes do no

sorvedouro para um conjunto de nos ao longo de uma curva pre-definida. No TBF, a trajetoria

e definida por uma funcao contınua, cujos parametros sao inseridos no cabecalho do pacote

de roteamento. Dessa forma, cada no intermediario decide qual sera o proximo no a propagar

o pacote com base na equacao dessa curva.

Em RSSFs, conhecer quais nos proximos a essa curva estarao ativos e muito importante

para evitar a quebra das curvas e reduzir a latencia da transmissao dos dados na rede. O

algoritmo TBF necessita da construcao e atualizacao de uma tabela de vizinhos para escolher

o proximo no da rota. Essa tabela deve conter a informacao de quais nos estao acordados

e quais estao dormindo. Essa informacao pode ser obtida da camada MAC, uma vez que

essa camada e responsavel por desligar e ligar o radio dos nos sensores. Isso faz com que

a topologia das RSSFs seja dinamica, o que torna necessario a atualizacao periodica dessa

tabela. Portanto, devido ao alto custo de construcao e manutencao dessa tabela, o TBF pode

beneficiar-se do projeto integrado com a camada MAC.

Neste trabalho, o protocolo Sensor MAC (S-MAC) proposto em [YHE02] foi escolhido

para ser integrado ao protocolo de roteamento TBF. O S-MAC e um protocolo de controle

de acesso ao meio projetado especificamente para RSSFs orientadas a eventos, com coleta


periodica de dados e baixa taxa de envio de mensagens. Apesar do protocolo S-MAC ser

orientado a eventos, ele nao trata a direcao de envio dos quadros, podendo ser utilizado junto

com o protocolo TBF, que e um protocolo de disseminacao. O S-MAC utiliza sincronizacao

para coordenar os modos de operacao do radio e procura ser eficiente em consumo, reduzindo os

principais eventos responsaveis pelo desperdıcio de energia como colisao, overhearing, overhead

e idle listening. Para evitar o problema de colisao, o S-MAC usa um dialogo de comunicacao

no qual o no emissor envia uma requisicao e aguarda uma liberacao do no receptor antes de

enviar o pacote. Apos o envio da informacao, o no receptor confirma o recebimento. Se a

colisao ocorrer, o protocolo utiliza um algoritmo para calcular um tempo aleatorio de espera

para uma nova transmissao. Para minimizar o overhearing, o protocolo S-MAC coloca os

nos em estado de dormencia (sleep). Para diminuir o overhead, o S-MAC divide a mensagem

em pequenos fragmentos e os envia em rajadas para transmitir eficientemente as mensagens.

Para reduzir o problema de idle listening, este protocolo coloca os nos em perıodos de escuta

e dormencia para economizar energia.

Em RSSFs, o desempenho dos protocolos esta intimamente relacionado com as carac-

terısticas dessas redes, tais como: modelo de entrega dos dados, topologia, densidade e di-

namismo dos sensores, fenomenos e observadores [ASSC02]. Para o modelo de entrega de

dados, RSSFs podem ser classificadas como: contınua, iniciada pelo observador, orientada a

evento e hıbrida. No modelo contınuo os sensores comunicam seus dados continuamente numa

taxa pre-especificada. No modelo iniciado pelo observador os sensores somente reportam seus

resultados em resposta a uma requisicao explıcita do observador. No modelo de dados orien-

tado a eventos, os sensores reportam informacoes somente se um evento de interesse ocorre.

Neste caso, o observador esta interessado na ocorrencia de um fenomeno especıfico ou um

conjunto de fenomenos. No modelo hıbrido, as estrategias co-existem na mesma rede. Em

algumas aplicacoes, como as aplicacoes orientadas a eventos, onde a rede envia ou recebe uma

informacao do no sorvedouro baseada em algum evento ocorrido no ambiente, espera-se que os

dados coletados ou enviados sejam recebidos no menor tempo possıvel. Ou seja, quando um

evento e detectado, a rede deve enviar esta informacao ao usuario rapidamente, para que possa

ser tomada alguma decisao. Como exemplo, considere uma rede para aplicacao industrial, que

monitora o nıvel de oleo em um tanque. Se, por algum motivo, o tanque atinge seu limite

maximo, esta informacao deve ser coletada e enviada rapidamente ao usuario pra que possa ser

tomada alguma decisao. Da mesma forma, considere uma rede que monitora a temperatura de

um alto forno, onde ocorre a mistura de elementos para a fabricacao do ferro gusa. Pode-se,

por exemplo, desejar modificar algum parametro para a temperatura monitorada dentro do

forno. Quando isto ocorrer, e necessario que esta informacao seja disseminada rapidamente

na rede, para que nao ocorra nenhum comprometimento na mistura do gusa. Por isso, RSSFs

orientadas a eventos devem possuir uma resposta rapida, ou seja, uma baixa latencia.

Neste trabalho, os protocolos TBF e S-MAC serao integrados para que ambos beneficiem-


se da troca de informacoes entre as camadas. O S-MAC foi projetado para redes orientadas

a eventos e possui um baixo desempenho em relacao a latencia. Como reducao de latencia e

um desafio em redes orientadas e eventos, este trabalho tenta reduzir a latencia do protocolo

S-MAC, aumentando sua cobertura, sem prejudicar o consumo de energia da rede.

1.2 Objetivos e Contribuicoes

O objetivo deste trabalho e integrar protocolos da camada MAC que fazem uso da tabela

de vizinhos com protocolos de roteamento do tipo sender-based. Neste trabalho, os protocolos

escolhidos para um estudo de caso foram o S-MAC e o TBF. O protocolo MAC resultante

da adaptacao do S-MAC neste projeto integrado e denominado SMAC-RC (Sensor MAC for

Routing on a Curve). No SMAC-RC, o TBF, constroi a lista dos nos vizinhos que, priori-

tariamente, devem propagar o pacote. Essa lista e encaminhada a camada MAC, no caso ao

SMAC-RC, que considera as informacoes dos estados desses nos para finalmente escolher, den-

tre eles, o melhor no para realizar a propagacao. Dessa forma, o SMAC-RC pode optar pela

escolha do no que estara acordado mais cedo, esse foi o criterio escolhido nesse trabalho, po-

dendo ser escolhido outro criterio, beneficiando a rede pela reducao da latencia de propagacao.

Em algumas aplicacoes, como citado anteriormente, faz-se necessaria a reducao da latencia,

como em redes orientadas a eventos.

O protocolo SMAC-RC proposto diminui a latencia e aumenta a confiabilidade de entrega

dos pacotes, uma vez que ele utiliza a otimizacao do algoritmo S-MAC para trabalhar em

parceria com o TBF. Dessa forma, ambas as camadas beneficiam-se das informacoes uma

da outra, melhorando assim o desempenho da rede. A abordagem proposta neste trabalho

tambem permite certa flexibilidade a camada MAC, o que reduz significativamente o tempo

medio para que os pacotes de disseminacao alcancem os nos da rede. Para a avaliacao do

trabalho proposto, o uso do TBF com SMAC-RC foi comparado ao funcionamento do TBF

com o S-MAC original.

1.3 Organizacao do Trabalho

Este trabalho esta organizado da seguinte maneira. No capıtulo 2 sao apresentados os

fundamentos e os trabalhos relacionados a este trabalho. Redes de sensores sem fio, camada

MAC para tais redes, o protocolo S-MAC, o roteamento em curva e projeto integrado em

RSSFs sao discutidos nesse capıtulo. No capıtulo 3, e apresentado o protocolo Sensor Mac for

Routing on a Curve (SMAC-RC). No capıtulo 4, os resultados de simulacao sao apresentados

e, finalmente, no capıtulo 5 sao apresentadas as conclusoes e trabalhos futuros.

6

Capıtulo 2

Trabalhos Relacionados

Este trabalho propoe o Sensor MAC for Routing on a Curve (SMAC-RC), um protocolo que

utiliza a tecnica de projeto integrado entre a camada de acesso ao meio e a camada de rede,

integrando o protocolo Sensor MAC (S-MAC) e o protocolo de roteamento Trajectory Based

Forwarding (TBF). Desta forma, e preciso discursar sobre os protocolos de controle de acesso

ao meio para RSSFs, bem como os trabalhos concernentes na literatura sobre roteamento

em curva para tais redes. A secao 2.1 apresenta uma breve introducao sobre as redes de

sensores sem fio. A secao 2.2 apresenta as caracterısticas da camada MAC para RSSFs e

alguns protocolos MAC propostos na literatura. Essa secao discute tambem os desafios para

desenvolvimento de protocolos de controle de acesso ao meio para RSSFs, tais como: economia

de energia e escalabilidade em relacao ao numero de sensores. Na secao 2.3, o protocolo Sensor

MAC e apresentado. Na secao 2.4, e apresentado o roteamento em curva e protocolos propostos

na literatura concernente para as RSSFs. Na secao 2.5 sao apresentados os desafios e propostas

de projeto integrado em RSSFs. Finalmente, na secao 2.6, as conclusoes sao apresentadas.

2.1 Redes de Sensores sem Fio

Redes de sensores sem fio podem ser usadas em aplicacoes que tem de centenas a milhares

de sensores, que sao pequenos elementos computacionais com capacidade de processamento,

armazenamento e comunicacao de dados, distribuıdos em uma regiao. Cada sensor e equipado

com processador, memoria, bateria e radio transceptor, constituindo um sistema autonomico.

Esses sensores devem ser capazes de detectar um evento na regiao onde sao distribuıdos, pro-

cessa-lo e enviar o resultado para um no de monitoracao, denominado sink ou no sorvedouro.

As RSSFs devem possuir estrutura de auto-configuracao e adaptacao devido a problemas como

perda de sensores e falhas na comunicacao [ASSC02].

Uma RSSF e composta por nos sensores que sao depositados em uma area de monitoracao

ou proximos a ela, conforme mostrado na figura 2.1. No inıcio, os nos sao depositados na area

especıfica a ser monitorada. Em seguida, eles comecam a estabelecer rotas para serem usadas

CAPıTULO 2. TRABALHOS RELACIONADOS 7

para o envio dos dados. Para economizar energia, os sensores normalmente se comunicam a

curtas distancias, o que geralmente impede a comunicacao direta com o no sorvedouro. Desta

maneira, e necessario que os dados desses nos sejam roteados ate o sorvedouro utilizando nos

intermediarios em um programa de retransmissao multi-saltos. Como em uma RSSF nao ha

roteadores fixos, os nos precisam se conectar de maneira dinamica para descobrir e manter rotas

de comunicacao [LNR+03]. Quando um evento a ser sensoriado e detectado, os nos coletam

as informacoes do mesmo, processam essas informacoes e enviam para o no sorvedouro, que e

responsavel pela coleta e transmissao dos dados provenientes da rede de sensores ao usuario

final.

Figura 2.1: Nos sensores dispersos em uma area de sensoriamento [Lab08].

Uma grande vantagem das RSSFs e a implantacao e adaptacao a qualquer tipo de ambiente,

podendo ser utilizadas em diversas aplicacoes. Na area ambiental, podem ser utilizadas para

monitorar o valor de temperatura e umidade em diversos locais ou para deteccao de terremotos,

tsunamis ou furacoes [LNR+03]. Tambem podem ser utilizadas para detectar movimentos de

veıculos e nıveis de barulho. Na area industrial, os sensores podem monitorar a extracao de

petroleo ou auxiliar no monitoramento da temperatura dentro de alto-fornos na siderurgia.

As RSSFs podem ser vistas como um tipo especıfico de redes ad hoc porque, como nessas

redes, em RSSFs nao existe uma infra-estrutura fixa ou estacoes de suporte a mobilidade,

permitindo que os nos sensores sejam capazes de comunicar diretamente entre si. O projeto

de uma RSSF e influenciado por muitos fatores que incluem tolerancia a falhas, escalabilidade,

topologia da rede, restricoes de hardware, meio de transmissao e consumo de energia [KW05].

Um no sensor e composto de cinco componentes basicos: sensor, processador, memoria,

unidade de comunicacao e unidade de potencia. A unidade de potencia prove a energia

necessaria para o funcionamento dos nos sensores e, devido ao seu tamanho reduzido, pos-


sui baixa capacidade de armazenamento, comprometendo o tempo de vida util da rede. A

unidade de comunicacao inclui todo o sistema de transmissao e recepcao, amplificador e antena,

que sao utilizados para trocar dados entre nos atraves de um canal sem fio. Normalmente, o

modo de transmissao e atraves de radiofrequencia (RF), pois permite taxas de dados elevadas,

taxas de erro aceitaveis e nao requer alinhamento entre o emissor e o receptor.

Energia e um fator crucial no projeto de solucoes para as RSSFs. Como as baterias pos-

suem baixa capacidade de armazenamento e sua recarga e praticamente inviavel, o consumo

de energia de um no sensor deve ser controlado. Em algumas aplicacoes, como as que possuem

baixo trafego de dados, a rede pode ficar ociosa a maior parte do tempo. Portanto, a melhor

maneira para reduzir o gasto de energia e desligar seus componentes e liga-los quando hou-

ver um estımulo externo ou durante intervalos de tempo pre-definidos. Entretanto, desligar

completamente o no sensor pode causar falhas de sensoriamento ou de roteamento. Por isso

os modos de operacao de um no sensor devem ser determinados de acordo com as tarefas

realizadas. Utilizar multiplos estados de operacao para diminuir o consumo de energia em

troca de reducao de funcionalidade e a principal tecnica para tornar um no sensor eficiente

no gerenciamento de sua energia [KW05]. Esses modos de operacao podem ser utilizados em

todos os componentes do no sensor, principalmente para os processadores, radios, memorias e

sensores. Dispositivos diferentes podem apresentar estados ou modos de operacao diferentes.

Para o processador, os estados tıpicos sao: ativo, ocioso e dormindo. A memoria e os sensores

possuem os estados ligado ou desligado. Para o radio, os estados tambem podem ser repre-

sentados pelos modos: ativo (recebendo ou transmitindo dados), ligado ou desligado. Para

conseguir uma maior economia de energia, os radios devem permanecer no estado desligado o

maior tempo possıvel e serem ativados somente quando necessario [KW05].

A camada de controle de acesso ao meio, ou camada MAC, e responsavel pelo controle dos

metodos de alocacao do canal e pelo controle dos modos de operacao do radio. Em RSSFs, nao

podem ser utilizados os protocolos MAC desenvolvidos para redes sem fio tradicionais, uma

vez que essas redes nao possuem limitacoes tao severas de energia. Alem disso, em RSSFs, as

caracterısticas das aplicacoes influenciam nos requisitos da camada MAC, porque os protocolos

sao desenvolvidos com base no tipo de trafego, largura de banda e tipo de servico, fazendo com

que os protocolos sejam especializados para cada tipo de rede, mas visando sempre diminuir

o custo com processamento e maximizar o tempo que os radios dos nos sensores podem ficar

desligados de forma a economizar energia da rede. A proxima secao apresenta as caracterısticas

da camada MAC para RSSFs e os desafios para o projeto de protocolos MAC para tais redes.


2.2 Camada MAC em RSSFs

2.2.1 Desafios

Os principais desafios para o projeto de protocolos MAC para RSSFs e que essas redes

diferem de redes sem fio tradicionais em muitos aspectos, tais como: energia, deposicao do

nos, densidade, sensoriamento. Isto faz com que os protocolos MAC tradicionais nao possam

ser utilizados em RSSFs. Redes de sensores sem fio devem ser eficientes em relacao ao consumo

de energia, uma vez que os nos sensores sao operados por bateria e, devido a alta densidade e

aos ambientes inospitos onde estas redes podem ser implementadas, a recarga dessas baterias e

praticamente inviavel. Por isso, a caracterıstica que deve infligir maior atencao ao se projetar

tais redes e o consumo de energia, permitindo o prolongamento no tempo de vida da rede.

Em muitas aplicacoes, os nos sao depositados de maneira aleatoria e devem se auto-organizar

para estabelecer rotas de comunicacao. Isso requer que os protocolos para essas redes devem

ser adaptaveis a mudancas e escalaveis em relacao ao numero de nos. Outro aspecto que

difere RSSFs de redes ad hoc e que tanto a densidade da rede, quanto o tipo de sensoriamento

dependem do tipo da aplicacao [DEA06]. Finalmente, a maior parte do trafego nessas redes e

desencadeado por sensoriamento de eventos externos que podem ocorrer de forma inesperada.

Devido ao fato de protocolos MAC serem influenciados por um grande numero de restricoes,

faz-se necessario o estudo de alguns atributos importantes desses protocolos. Um dos atributos

mais importantes para protocolos MAC em RSSFs e ser eficiente em energia. Como dito

anteriormente, nos sensores sao alimentados por baterias e a recarga destas normalmente e

inviavel ou impossıvel. Como o radio e o dispositivo da rede que mais consome energia e a

camada MAC controla os modos de operacao dos mesmos, desliga-los quando possıvel e uma

boa tecnica de economia de energia.

Outra caracterıstica que deve ser considerada ao se projetar protocolos MAC para RSSFs e

que eles devem ser adaptaveis e escalaveis em relacao ao numero de nos para permitir mudancas

de topologia inerentes a essas redes. Portanto, escalabilidade e adaptabilidade as mudancas

no tamanho, densidade e topologia sao atributos importantes, porque os nos sensores sao

depositados de uma maneira ad hoc e frequentemente trabalham em ambientes passıveis de

erros. Latencia e outro atributo que deve ser considerado no projeto de protocolos MAC e

refere-se ao atraso que o quadro sofre desde que e enviado ate ser recebido com sucesso. Outro

atributo a ser observado e a vazao, e refere-se a quantidade de dados transferidos com sucesso

de um no emissor a um no receptor em um certo perıodo de tempo. Muitos fatores afetam

a vazao, tais como: eficiencia em evitar colisoes, utilizacao do canal, latencia e overhead de

quadros de controle. Como a latencia, a importancia da vazao depende da aplicacao da rede.

Fairness, do ponto de vista da camada MAC, reflete a habilidade de diferentes usuarios, nos

ou aplicacoes de dividir o canal igualmente. Este e um atributo importante em redes sem fio

tradicionais. Entretanto, em RSSFs, os nos cooperam para uma tarefa em comum e o fairness


e medido pelo desempenho da rede como um todo e nao em cada no especificamente. Todos

os atributos listados refletem as caracterısticas dos protocolos MAC para RSSFs. Entretanto,

os fatores mais importantes a serem considerados sao eficiencia no consumo de energia, no

impedimento de colisoes, latencia, principalmente em redes orientadas a eventos, escalabilidade

e adaptabilidade em relacao a densidade e ao numero de nos [YH03].

Eficiencia em energia e um dos desafios mais importantes que deve ser vencido em RSSFs.

Por isso, protocolos MAC devem considerar eventos que sao as principais fontes de desperdıcio

de energia durante a comunicacao, que sao [CMdS+05]:

• Colisao: protocolos MAC devem definir quando e como um no pode acessar o meio e

enviar seus dados, evitando que quadros possam colidir. Quando uma colisao ocorre,

os dados devem ser descartados e retransmitidos, acarretando em um consumo extra de

energia;

• Idle listening : e a segunda fonte de desperdıcio de energia e ocorre quando o radio escuta

o canal de transmissao para receber dados e nao existe nenhum dado sendo transmitido;

• Overhearing : ocorre quando um no recebe quadros que sao destinados a outros nos.

O trafego desnecessario causado pelo overhearing pode ser um fator dominante de des-

perdıcio de energia quando o trafego e pesado e a densidade da rede e elevada;

• Overhead de quadros de controle: quadros de controle sao usados para reserva do canal,

sincronizacao, reconhecimento de quadros de dados. Quadros de controle consomem

energia, pois nao transportam dados uteis e aumentam o trafego na rede.

2.2.2 Protocolos MAC para RSSFs

Como citado anteriormente, protocolos MAC devem evitar colisao para, dentre outros

objetivos, economizar energia. De acordo com os mecanismos utilizados para evitar colisao,

tais protocolos podem ser divididos em dois grupos: baseados em programacao e baseados em

contencao [YH03]. Entre os protocolos baseados em programacao, a tecnica TDMA (Time

Division Medium Access) tem atraıdo a atencao da comunidade academica em RSSFs. TDMA

divide o canal em N slots de tempo, em cada slot um no e autorizado a acessar o meio para

transmitir. A maior vantagem de sistemas TDMA e a sua eficiencia em energia, uma vez que

ele suporta baixo duty-cycle dos nos, ou seja, baixo ciclo de trabalho ou pequena proporcao

de tempo durante a qual o no esta ativo. Entretanto, TDMA tem algumas desvantagens que

limita seu uso em RSSFs. Uma delas e que sistemas TDMA normalmente requerem que nos

formem agrupamentos e um dos nos dentro do agrupamento deve ser escolhido como o lıder.

Normalmente os nos sao limitados a comunicarem-se com o no lıder, ou seja, comunicacao entre

os nos nao e possıvel. Entretanto, a principal desvantagem e sua limitacao a escalabilidade e


a adaptabilidade em relacao ao numero de nos, alem de ser uma tecnica adequada para redes

com fluxo contınuo e nao para redes baseadas em eventos.

Diferentemente de protocolos baseados em programacao, protocolos baseados em contencao

nao dividem o canal em sub-canais, nem pre-alocam o canal para cada no. Ao inves disso,

o canal e dividido por todos os nos e alocado sob demanda. Um mecanismo de contencao

e empregado para decidir qual no tera direito de acessar o meio em determinado instante.

Protocolos baseados em contencao tem algumas vantagens se comparados a protocolos basea-

dos em programacao. Eles sao mais flexıveis as mudancas na topologia e densidade da rede.

Tambem nao necessitam de formacao de agrupamento e a comunicacao entre nos e permitida

e sao mais adequados para aplicacoes orientadas a eventos. Porem, protocolos baseados em

contencao tambem possuem desvantagens, sendo a principal delas sua ineficiencia em relacao

ao uso da energia da rede, isto porque os nos escutam o meio durante todo o tempo [YH03].

Varios protocolos para a camada MAC foram propostos na literatura [vDL03, KRKI03,

PHC04, LWLS05, YHE02, DEA06]. O T-MAC (Time-out-MAC ) [vDL03] e um protocolo

projetado para aplicacoes dirigidas a eventos que possuem baixa taxa de entrega de mensagens,

o que nao e adequado, insensıveis a latencia e com transmissao contınua ou periodica de dados.

A proposta do T-MAC e reduzir o tempo de escuta ociosa transmitindo todas as mensagens em

rajadas de tamanhos variaveis e colocar os nos em estado de dormencia entre as rajadas. Para

manter o tempo de atividade ou comprimento da rajada otimo em relacao a carga variavel,

o protocolo determina dinamicamente o tamanho de cada rajada. Para determinar o fim

do tempo de atividade, o protocolo simplesmente interrompe este tempo quando nao existe

transmissao. A figura 2.2 ilustra o funcionamento basico do T-MAC.

Figura 2.2: Esquema basico do protocolo T-MAC, com ciclos de atividades adaptaveis [vDL03].

Cada no periodicamente acorda para comunicar-se com seus vizinhos, e volta a dormir ate

o proximo perıodo de atividade. Durante este perıodo, novas mensagens sao enfileiradas. Os

nos se comunicam utilizando um esquema RTS/CTS/DATA/ACK, que torna a transmissao

confiavel e evita colisao com quadros de dados. Um no mantem-se potencialmente transmitindo

enquanto ele esta no perıodo ativo. Um perıodo ativo termina quando nenhum evento de


ativacao ocorre durante um tempo TA (time out) [vDL03]. No T-MAC, um evento de ativacao

pode ser um disparo periodico no tempo do quadro, ou a recepcao de algum dado no radio,

ou ainda a deteccao de uma comunicacao. Um no ira para o perıodo de dormencia se ele nao

estiver no modo ativo. Um no nao deve dormir enquanto seus vizinhos estao se comunicando,

pois o mesmo pode ser o receptor de uma mensagem subsequente [vDL03]. Receber o inıcio de

um quadro RTS ou CTS de um vizinho, provoca o surgimento de um novo intervalo ativo. Um

problema encontrado no T-MAC ocorre quando um no dorme enquanto outro no ainda tem

mensagens para ele. Esse problema pode ser resolvido de duas maneiras: (i) um no ao escutar

um quadro CTS destinado a outro no envia um quadro designado FRTS (Future RTS ) aos

seus vizinhos; (ii) um no ao receber um RTS ao inves de responder com um CTS, transmite

as mensagens armazenadas em seu buffer para o no de destino [CMdS+05].

Outro protocolo da camada MAC para RSSFs e o DE-MAC (Distributed Energy Aware

MAC ) [KRKI03], um protocolo baseado na tecnologia TDMA que utiliza o conceito de

perıodos de escuta e dormencia dos nos. Da mesma forma que o T-MAC, o DE-MAC procura

evitar dois grandes problemas com gasto de energia, que sao: a escuta ociosa e o overhearing.

Entretanto, diferentemente de outros protocolos MAC existentes, o DE-MAC baseia-se no fato

que um no com baixa energia deve ser usado com menor frequencia, a fim de realizar balancea-

mento de carga. O DE-MAC executa um procedimento de eleicao local de lıder: o no com

mais baixa energia entre todos os nos da rede fica mais tempo em repouso que seus vizinhos.

O DE-MAC apresenta algumas vantagens, tais como: nao existe perda de quadros devido a

colisao, pois dois nos nao transmitem no mesmo slot de tempo, mas perdas de quadros devido

a outras razoes como interferencia e esvanecimento do sinal podem ocorrer no DE-MAC. Uma

outra vantagem desse protocolo e que nenhum mecanismo de contencao e necessario para um

no comecar a transmitir seus quadros, uma vez que os slots sao pre-definidos para cada no.

Nao e necessario nenhum quadro extra de controle (overhead) para contencao. Esse protocolo

possui dois tipos de quadros: dados e controle. Os quadros de dados sao recebidos das ca-

madas mais altas e sao roteados a estacao base. Os quadros de controle especificam o tipo do

quadro e o valor atribuıdo ao tipo do quadro. Os quadros de controle sao divididos em duas

categorias: quadros de votos que contem a decisao de um no, que pode ser um voto positivo ou

negativo e quadros de potencia do radio, que contem o modelo de potencia do radio do emissor

para indicar se o emissor esta utilizando um slot ou dois slots para transmitir seus quadros

de dados. Cada no sabe em qual slot de tempo seus vizinhos irao transmitir. A ideia basica e

deixar os nos trocarem informacoes sobre seus nıveis de energia e, baseados nesta informacao,

cada no decidira o numero de slots usados na transmissao (um ou dois). Cada no sensor pode

estar em uma das duas fases: operacao normal, na qual os nos operam normalmente, roteando

quadros de dados para a estacao base, ou fase de votacao, na qual os nos crıticos executam

uma eleicao local.

A fase de votacao local e disparada pelo no no estado mais crıtico. Um no e dito ser


crıtico se o valor da sua energia cair abaixo do valor da energia de um no eleito anteriormente.

Um no sensor i pode, independentemente dos outros nos, decidir iniciar uma votacao. Uma

vez iniciada a votacao, cada no transmite uma mensagem contendo o seu nıvel de energia.

Uma propriedade do DE-MAC e que na fase de votacao, todos os nos escutam todas as

mensagens transmitidas, isto e, nao existem nos no modo de repouso quando outros nos

estao transmitindo. O DE-MAC consegue um ganho significativo em economia de energia se

comparado a outros protocolos existentes na camada MAC, mas nao leva em consideracao o

problema de escalabilidade.

Em [PHC04], os autores propoem o protocolo B-MAC. A ideia principal e evitar colisoes

na RSSF atraves da escuta do canal. O metodo obtem amostras de ruıdo do meio de trans-

missao e determina se o canal esta ocupado. Para evitar colisao na rede, o B-MAC utiliza

a heurıstica chamada CCA (Clear Channel Assistment) que verifica se existe atividade no

canal de transmissao. Essa heurıstica baseia-se na amostragem do nıvel de ruıdo no meio de

transmissao quando nao ha trafego na rede. A partir das amostras, o valor maximo de ruıdo

e determinado e e denominado de ruıdo base. Quando um no almeja transmitir, ele faz uma

amostragem do ruıdo do meio e compara com o ruıdo base. Se o valor da amostra e proximo

do ruıdo base, o no estima que o meio esta livre, caso contrario o meio esta ocupado e o no

nao pode transmitir. O no amostra o canal periodicamente para verificar se ha transmissao.

Para o B-MAC a energia consumida pelo no baseia-se na energia consumida pelo receptor,

pelo transmissor, pela amostragem de sinais no meio e pelo perıodo de repouso [CMdS+05].

Outro protocolo para camada MAC baseado em alocacao estatica do canal e o SE-MAC

(Scalable Energy Efficient Medium Access Control Protocol) [LWLS05]. Um protocolo baseado

em TDMA que utiliza a informacao local na sincronizacao dos nos para eliminar colisoes. O SE-

MAC usa conceitos de perıodos de escuta e dormencia para evitar idle listening e overhearing.

Para balancear a energia usada na rede, o SE-MAC elege o no com menor reserva de energia

e permite que este permaneca dormindo por mais tempo para economizar energia. Como o

SE-MAC e baseado em TDMA, ele naturalmente evita gasto extra de energia por colisao, uma

vez que varios nos podem transmitir dados simultaneamente, sem interferencia, em um canal

sem fio. O tempo e dividido em slots e um no e alocado a um slot para transmitir.

O protocolo SE-MAC possui algumas vantagens, tais como: nao existe perda de quadros,

uma vez que os nos nao transmitem no mesmo slot. No SE-MAC nenhum mecanismo de

contencao e necessario para um no comecar a transmitir seus quadros, uma vez que os slots

sao pre-definidos para cada no e tambem nao e necessario nenhum quadro extra de controle

(overhead) para contencao. Existem dois tipos de quadros no SE-MAC: quadro de controle

(CP) e quadro de dados (DP). Quadros de dados sao quadros recebidos das camadas mais

elevadas, ou do proprio no e que sao roteados a estacao base. Os quadros de controle, possuem

tres campos. O primeiro especifica o tipo de quadro de controle, o segundo campo especifica

o numero de nos em um cluster e o terceiro e o quadro de controle de dados.


O quadro de controle de dados pode ser classificado em dois tipos: quadros de sincronizacao

que sao utilizados para formar tabelas de sincronizacao e quadros de votos, que sao usados na

votacao para eleicao do no com mais baixa reserva de energia. Como os nos sao depositados

aleatoriamente na area de interesse, a primeira tarefa a ser executada e descobrir os vizinhos

para formar a topologia da rede. A ideia basica e inicializar a tabela de sincronizacao fazendo

com que os nos troquem seu numero de identificacao (ID). Baseado neste numero, o no com

o maior ID podera ser o responsavel pela atribuicao dos slots de tempo e pelo ajuste da

tabela de sincronizacao [LWLS05]. Os nos podem assumir qualquer uma das tres fases apos

a descoberta da topologia e da criacao da tabela de sincronizacao: fase de operacao normal,

na qual os nos normalmente operam roteando dados para a estacao base. Fase de votacao, na

qual os nos crıticos fazem uma eleicao local para reajustar seus slots. Um no e dito crıtico se o

valor de sua energia fica abaixo da energia dos vencedores da eleicao anterior. Um no na fase

de votacao e um vencedor se todos os nıveis de energia de seus vizinhos forem maiores que o

seu. Caso contrario, o no declara-se como um perdedor. O SE-MAC aumenta a escalabilidade

utilizando um algoritmo para formar clusters e as colisoes sao evitadas usando o numero de

clusters nos quadros e adotando o mecanismo de backoff LLS (Listen-Listen-Send) [LWLS05].

A proxima secao detalha o protocolo Sensor MAC (S-MAC), um protocolo baseado em

alocacao dinamica de canal que utiliza sincronizacao para coordenar os modos de operacao

do radio. O S-MAC e destinado a aplicacoes dirigidas a eventos e insensıveis a latencia. O

protocolo S-MAC foi utilizado neste trabalho por ser o protocolo mais utilizado na literatura

concernente.

2.3 Sensor MAC (S-MAC)

Nesta secao e apresentado o protocolo S-MAC, seu funcionamento basico, suas carac-

terısticas e principais tecnicas para reducao de energia. E apresentado tambem o funciona-

mento dos perıodos de escuta e dormencia no S-MAC, as programacoes do nos, sincronizacao

e o funcionamento da lista de vizinhos.

2.3.1 Funcionamento Basico

O protocolo S-MAC apresenta como meta a reducao do consumo de energia com boa es-

calabilidade e reducao de colisoes. Para garantir boa escalabilidade e impedir colisoes, esse

protocolo utiliza uma combinacao de sincronizacao e um esquema de contencao. Para ser efi-

ciente em energia, o S-MAC procura reduzir o desperdıcio nos principais eventos responsaveis

pelo consumo, que sao: colisao, overhearing, overhead e idle listening [YHE02]. Para tanto,

esse protocolo utiliza tres tecnicas basicas: introducao de perıodos de dormencia e escuta,

prevencao de colisao e overhearing e insercao do conceito de message passing. Em muitas

aplicacoes para RSSFs, os nos podem permanecer ociosos por um longo perıodo, principal-


mente se nenhum evento e sensoriado, pois a taxa de dados neste intervalo e muito baixa,

nao sendo necessario que os nos permanecam escutando o canal durante todo o tempo. O

protocolo S-MAC reduz o tempo de escuta do no e, consequentemente, um gasto extra de

energia, colocando os nos no modo de dormencia. A figura 2.3 ilustra a ideia basica, que e

alternar perıodos de escuta e dormencia do no. Durante o perıodo de dormencia o no desliga

seu radio e ajusta um temporizador para acorda-lo mais tarde.

Figura 2.3: Perıodos de escuta e dormencia [YHE02].

O protocolo S-MAC necessita de sincronizacao entre os nos vizinhos para reduzir o erro

de relogio. No S-MAC, os nos trocam suas tabelas de sincronizacao com seus vizinhos mais

proximos via difusao. Isto garante que todos os vizinhos podem comunicar entre si, mesmo

que possuam tabelas diferentes.

Outra caracterıstica do protocolo S-MAC, e que nos vizinhos sao livres para falar com

outros nos, nao importando a tabela de escuta que eles possuem. Os nos sao sincronizados

em um agrupamento virtual de forma a evitar o problema de comunicacao inter-cluster e

interferencia. Isto facilita adaptacao as mudancas na topologia. A desvantagem e que a

latencia e incrementada devido ao perıodo de dormencia de cada no.

Nas proximas secoes, o protocolo S-MAC sera discutido detalhadamente. A secao 2.3.2,

explica o funcionamento do perıodo de escuta e dormencia. A secao 2.3.3, descreve a sin-

cronizacao e a tabela de programacao. A secao 2.3.4 explica como o S-MAC atualiza e mantem

as programacoes de seus nos e a secao 2.3.5 explica o mecanismo de descoberta de vizinhos.

2.3.2 Perıodos de Escuta e Dormencia

A principal tecnica utilizada pelo protocolo S-MAC para reduzir o consumo de energia

e fazer com que cada no na rede siga um ciclo de escuta e dormencia, tambem conhecido

como perıodos de listen e sleep. Um perıodo completo de escuta e dormencia e denominado

frame. Durante o perıodo de dormencia o no desliga seu radio. Desta forma, uma grande

quantidade de energia consumida devido ao idle listening pode ser evitada, principalmente

quando o trafego de dados na rede e baixo. Durante perıodos de escuta o no pode iniciar o

recebimento e envio de quadros. O S-MAC fornece um parametro ajustavel, duty-cycle, cujo

valor representa a razao entre o perıodo de escuta e o tamanho total do frame e seu valor pode

variar de 1 a 100%. O perıodo de escuta e dividido em duas partes. A primeira, denominada

perıodo SYNC, e destinada para envio de quadros de sincronizacao. A segunda, denominada

perıodo DATA, e designada para transmissao de dados, conforme ilustra a figura 2.4.


Figura 2.4: Formato de um frame no S-MAC [Che05].

Cada no no S-MAC deve seguir, no mınimo, uma programacao, ou seja, um perıodo de

escuta e um perıodo de dormencia de acordo com o perıodo de dormencia e escuta de um de seus

vizinhos. Cada programacao e controlada por um relogio que pode ser reprogramado quando

expirar. Cada frame no S-MAC possui tres pontos de verificacao ou pontos de expiracao.

Nesses pontos, o S-MAC decide a acao a ser feita no proximo perıodo. Na figura 2.5, por

exemplo, no ponto 2, o S-MAC verifica se existe algum quadro dados no buffer para ser

enviado. Em caso afirmativo, o protocolo inicia a deteccao do meio para verificar se o mesmo

esta livre. Em caso negativo, o S-MAC nao tentara enviar quadro de dados neste frame.

Mesmo que dados sejam recebidos no meio do perıodo DATA, o S-MAC nao enviara esses

dados, mas ira armazena-los no buffer ate o proximo ponto de verificacao 2. O mesmo ocorre

para os pontos 1 e 3. No ponto 1, o S-MAC permite que os nos enviem e recebam quadros de

sincronizacao. Se nenhum no executar esta tarefa e o perıodo SYNC terminar, o no so podera

enviar seu quadro SYNC no proximo ponto de verificacao 1. No ponto 3, o S-MAC possibilita

a dormencia ou recepcao/envio de dados. Se o no nao executar esta tarefa, ela so podera ser

executada no proximo ponto de verificacao 3.

Figura 2.5: Pontos de verificacao em um frame S-MAC [Che05].

2.3.3 Sincronizacao, Tabela de Programacao e Lista de Vizinhos

A programacao de escuta/dormencia exige sincronizacao entre os nos vizinhos para evitar

grandes erros de relogio. Esta atualizacao normalmente e realizada enviando, periodicamente,

um quadro SYNC. O perıodo no qual o no transmite seu quadro SYNC e denominado perıodo

de sincronizacao. Esse quadro inclui o endereco do remetente e o tempo para o proximo

perıodo de dormencia. O proximo perıodo de dormencia e relativo ao momento no qual

o emissor termina de transmitir o quadro SYNC. Isto ocorre aproximadamente quando o

receptor recebe o quadro. Os receptores ajustam seus temporizadores imediatamente apos o

recebimento do quadro SYNC e o no ira dormir assim que o temporizador disparar.


Cada no no S-MAC possui uma tabela de programacao que armazena a programacao do no

e a programacao de seus vizinhos. Existem dois tipos de tabelas na tabela de programacao: a

programacao primaria que armazena a programacao do proprio no e a programacao secundaria

que armazena as programacoes dos seus vizinhos. Todo no neste protocolo deve possuir uma

programacao primaria. O numero de programacoes que um no pode ter e limitada, e esse valor

pode ser ajustado pelo desenvolvedor da rede. Espera-se que exista apenas uma programacao

em toda a rede, para maximizar a economia de energia. Mas a existencia de multiplas pro-

gramacoes na rede e mais comum, especialmente em uma rede com varios saltos, na qual os

nos nao iniciam suas atividades ao mesmo tempo e agrupam-se de maneira aleatoria.

Cada no S-MAC deve armazenar uma tabela com as informacoes de todos os seus vizinhos.

O numero de vizinhos em cada lista e um parametro ajustavel pelo desenvolvedor da rede e

define o numero maximo de vizinhos para cada no. Como na tabela de programacao, a lista

de vizinhos e tambem estabelecida durante a troca de quadros SYNC entre os nos vizinhos. A

lista de vizinhos executa um papel importante no S-MAC. Quando um no S-MAC recebe uma

requisicao de envio de dados, primeiramente ele verifica se o no para o qual ele deve enviar

a informacao esta na sua lista de vizinhos. Em caso negativo, ele recusa a requisicao. Se o

no esta na sua lista, o flag txData da programacao que o no destino segue e ajustado para 1.

Quando iniciar o proximo perıodo DATA nesta programacao, o no tentara enviar este quadro.

No S-MAC quando um novo no e inserido na rede, ele primeiramente escuta por um perıodo

fixo, normalmente um perıodo de sincronizacao. Este perıodo e denominado escuta inicial.

Durante este perıodo podem ocorrer dois eventos:

• O no nao recebe nenhum quadro SYNC durante o perıodo de escuta inicial: quando

isto ocorre, o no escolhe, espontaneamente, uma programacao e ajusta um relogio para

a mesma. A programacao escolhida e adicionada a primeira entrada na sua tabela de

programacoes. Para anunciar sua nova programacao, o no transmitira um quadro SYNC

no proximo perıodo SYNC.

• O no recebe um quadro SYNC antes do fim do perıodo de escuta inicial: quando o no

recebe seu primeiro quadro SYNC, ele imediatamente escolhe e segue a programacao

deste quadro, ao inves de escolher espontaneamente uma outra no fim do perıodo de

escuta inicial. Esta programacao e entao adicionada a primeira entrada na sua tabela de

programacoes e o no remetente deste quadro SYNC e adicionado a sua lista de vizinhos.

O no precisa anunciar a programacao que esta seguindo. Ele faz isso transmitindo um

quadro SYNC no seu proximo perıodo SYNC.

2.3.4 Atualizando e Mantendo Programacoes

Nesta secao, e apresentado como o no S-MAC mantem sua programacao e sua lista de

vizinhos todas as vezes que ele recebe um quadro de sincronizacao, ou quadro SYNC, de um


de seus vizinhos. Seja D o no em questao. Para manter suas tabelas, D deve considerar dois

casos:

1. Primeiro quadro de sincronizacao recebido apos a escuta inicial: se durante a escuta ini-

cial o no D escolheu espontaneamente sua programacao e ele esta recebendo o primeiro

quadro de sincronizacao apos este perıodo, ele descartara a programacao anterior que es-

tava seguindo e seguira a programacao deste quadro de sincronizacao recebido, adicionando-

a a sua tabela. O temporizador associado a tabela removida e reprogramado com o valor

do sleepTimer deste novo quadro SYNC e o no que enviou este quadro e adicionado a

lista de vizinhos do no D.

2. Nao e o primeiro quadro SYNC apos a escuta inicial: se o no D recebeu, durante o

perıodo de escuta inicial, um quadro SYNC e agora ele esta recebendo um novo quadro

SYNC, ele deve considerar cinco possibilidades listadas na tabela 2.1. Para simplificar

a descricao do algoritmo, representou-se o remetente do quadro SYNC por R e por P a

programacao no quadro SYNC.

Condicao Acao1 R e um vizinho conhecido e R nao trocou sua

programacao primaria depois que D a escol-heu no perıodo de escuta inicial

D atualiza esta programacao na sua tabelae reprograma o relogio com o novo valor dotempo de dormir do quadro SYNC

2 R e um vizinho conhecido, entretanto R tro-cou sua programacao que era seguida por D

Etapa 1: D deve atualizar sua tabela deprogramacao. O numero de nos nesta pro-gramacao deve ser decrementado de umaunidade. Se o numero de nos atingir o valorzero apos o decremento, esta programacaodeve ser removida da lista de programacoesde D. Se ocorrer uma requisicao de envio dedados, todo o procedimento anterior deve seradiado ate o termino deste envio.Etapa 2: D processa a nova programacaoP verificando se sua tabela de programacoesesta completa. Em caso negativo, a pro-gramacao P e adicionada a lista de D e umnovo temporizador e atribuıdo a mesma. Emcaso afirmativo, R e apagado da lista de vi-zinhos de D.


Condicao AcaoEtapa 3: Se a programacao que R trocoue a programacao primaria do no D, entaoele deve executar o procedimento check-my-schedule, que verifica se o no tornou-se ounico em sua programacao primaria. Casoafirmativo, o no deve escolher a proxima pro-gramacao em sua tabela e estipula-la comosua programacao primaria. Entretanto, seocorrer uma requisicao de envio de dados,a execucao do procedimento. check-my-schedule deve ser adiada ate o termino desteenvio.

3 R e um vizinho conhecido de D, entre-tanto R trocou sua programacao primaria poruma programacao existente na lista de pro-gramacoes de D.

Etapa 1: Processa a programacao que R tro-cou. O numero de nos na programacao queR seguia deve ser decrementado de um. Se onumero atingir valor zero, esta programacaodeve ser removida da lista de programacoesde D. Se ocorrer uma requisicao de envio dedados, D deve adiar todas as etapas listadasanteriormente ate o termino deste envio.Etapa 2: Processa a nova programacao Pque R passara a seguir, atualizando esta pro-gramacao na tabela de programacao do noD. Logo apos o numero de nos nesta pro-gramacao deve ser acrescido de um.

4 R e vizinho desconhecido de D e sua pro-gramacao P, tambem.

Se nem a tabela de programacoes e nem alista de vizinhos de D estiverem cheias, anova programacao P deve ser adicionada atabela de D e o no R adicionado a lista devizinhos de D. Um novo relogio deve ser ajus-tado para esta nova programacao.

5 R nao e um vizinho pertencente a lista dono D, entretanto, sua programacao ja estaadicionada a lista do no D.

Atualiza a programacao P na tabela de pro-gramacoes de D, ajustando o relogio para elacom o novo valor do tempo de dormir doquadro SYNC. Se a lista de vizinhos de Dnao estiver cheia, R e adicionada a mesmae o numero de nos na programacao P e adi-cionado de um.

Tabela 2.1: Tabela quadro SYNC.

2.3.5 Descoberta de Vizinhos

No S-MAC, os nos vizinhos se descobrem trocando quadros de sincronizacao. A ideia

basica da descoberta de vizinhos no S-MAC e fazer com que cada no execute, periodicamente, a

descoberta de vizinhos durante um perıodo de sincronizacao. Durante o perıodo de descoberta

de vizinhos, o no S-MAC nao dormira, mesmo no seu perıodo sleep, isto para permitir que


o no escute o meio por um perıodo maior e tenha mais chances de escutar e descobrir um

novo vizinho. A figura 2.6 mostra a relacao entre o perıodo de descoberta de vizinhos e

outros perıodos no S-MAC. Pode-se notar que o perıodo de descoberta de vizinhos pode variar

dependendo do numero de vizinhos atuais que o no possui. Este perıodo pode variar de dois

perıodos de sincronizacao, se o no nao possui nenhum vizinho conhecido, ate 33 perıodos de

sincronizacao, dependendo do numero de vizinhos conhecidos do no.

Figura 2.6: Perıodos no S-MAC [Che05].

Como a tabela de programacoes, a lista de vizinhos tambem e atualizada todas as vezes

que um no receber um quadro SYNC. Entretanto, ha uma excecao para esta atualizacao, pois

cada no deve verificar, periodicamente, sua lista de vizinhos para examinar se algum vizinho

ficou inativo por alguma razao, como por exemplo, por falha de energia. Deste modo, este

vizinho deve ser removido da lista. Isto se faz necessario porque o no pode tentar conversar

com um vizinho inativo, o que acarreta um gasto de energia. Outro motivo e porque o no

nao pode simplesmente ficar ocupando espaco desnecessario na lista de vizinhos. Um relogio

e alocado para o controle da atualizacao desta lista. Seu tempo de expiracao deve ser bem

maior que o tempo de expiracao de sincronizacao. Isto pode ser explicado atraves da figura

2.7. Supondo-se os nos A e B como vizinhos e assumindo o perıodo para atualizacao da lista

de vizinhos de B menor que o perıodo de sincronizacao de A, pode-se observar que A executa

atualizacao da sua lista de vizinhos duas vezes em um perıodo de sincronizacao de B. Em sua

segunda atualizacao, A nao recebe nenhum quadro SYNC de B e julga erroneamente que B

nao esta ativo e o remove de sua lista de vizinhos. O no B ficara desconhecido para A ate o

proximo perıodo de transmissao de B. Neste perıodo, A nao pode conversar com B, porque

ele admite que B nao esta ativo.

Como mencionado, um relogio e alocado para atualizacao da lista de vizinhos e quando

este expira algumas tarefas devem ser executadas. Tais tarefas sao listadas a seguir:

• Primeiramente, deve-se verificar se existe alguma requisicao para envio de dados. Se

existir, todas as etapas abaixo devem ser saltadas e a atualizacao da lista de vizinhos


Figura 2.7: Relacao entre atualizacao da lista de vizinhos e perıodo de sincronizacao [Che05].

deve ser adiada ate o termino de envio dos dados. Se nao existir requisicao para envio

de dados, o no e desabilitado para recebimento de novas requisicoes.

• Em seguida, o numero de nos em uma programacao deve ser atualizado. Isto pode ocorrer

quando o no recebe um quadro SYNC de um de seus vizinhos conhecidos que trocou sua

programacao. Entao, o no deve decrementar o numero de nos nesta programacao.

• Atualizar a lista de vizinhos, verificando para cada vizinho da lista, se o flag activeflag

esta ajustado para um. Se o flag estiver em um, ele deve ser colocado em zero. Se

nao, significa que o no nao recebeu quadros SYNC deste vizinho durante um longo

perıodo. Isto indica que este vizinho deve ser retirado da lista de vizinhos deste no.

Consequentemente, o numero de nos na programacao que este vizinho retirado seguia

deve tambem ser decrementado. Se apos o decremento, o numero de nos chegar a 0, esta

programacao deve ser removida da tabela de programacoes do no.

• Se os nos vizinhos inativos que foram retirados da lista fizerem parte da programacao

primaria do no, este no deve executar check-my-schedule.

• Ajustar o temporizador para a proxima atualizacao da lista de vizinhos e habilitar novas

requisicoes de envio de dados.

2.4 Roteamento em RSSFs

2.4.1 Desafios

Roteamento e o processo de encaminhar pacotes de um elemento de origem ate um elemento

destino atraves de uma rota confiavel, na qual algumas caracterısticas devem ser definidas,

como congestionamento e atraso na rede. O principal desafio do roteamento em RSSFs,

como em redes ad hoc, e lidar com a topologia dinamica da rede, pois, constantemente, rotas


podem ser quebradas devido a perda de nos sensores. Por isso, os protocolos e algoritmos

para essas redes devem ser projetados levando-se em consideracao suas limitacoes e devem

prover um mecanismo de comunicacao robusto, uma vez que o canal e sujeito a erros. Uma

outra questao a ser analisada no projeto de protocolos de roteamento para RSSFs e que eles

devem ser escalaveis e eficientes no consumo de energia, minimizando o custo na computacao

e no processo de comunicacao [Mac05, Gou05]. Devido a sua natureza, as RSSFs requisitam

tecnicas de roteamento escalaveis e robustas para disseminacao de dados [GGSE01]. Existe

uma extensa quantidade de pesquisas em RSSFs e, em especial, pesquisas de protocolos de

roteamento para os mais variados cenarios dessas redes [JM04]. Os protocolos de roteamento

devem considerar alguns aspectos, tais como: recursos limitados, topologia dinamica e tempo

de vida da rede, que deve ser o maior possıvel para minimizar o custo de manutencao da

mesma. Os protocolos de roteamento tambem devem otimizar o consumo de energia, serem

tolerantes a falhas, garantir eficiencia na comunicacao e serem eficientes na disseminacao de

dados.

Uma das principais metas para as RSSFs e permitir comunicacao de dados visando pro-

longar o tempo de vida da mesma e evitar degradacao da conectividade empregando tecnicas

de gerenciamento de energia. O projeto de protocolos de roteamento para tais redes e in-

fluenciado por muitos fatores e desafios. Um deles e o posicionamento dos nos. Em RSSFs

este posicionamento depende da aplicacao e pode ser determinıstico ou aleatorio. No posi-

cionamento determinıstico, os nos sao colocados manualmente e os dados sao roteados atraves

de caminhos pre-determinados. Entretanto, no posicionamento aleatorio, os nos sensores sao

espalhados aleatoriamente no ambiente, criando uma infra-estrutura ad hoc. Se a distribuicao

dos nos nao e uniforme, a formacao de clusters se faz necessaria para permitir conectividade

e operacao eficiente em energia da rede. Outro desafio que afeta o projeto de protocolos de

roteamento e o consumo de energia sem falhas, ou seja, nos sensores podem esgotar suas fontes

de energia, processamento e transmissao. Por isso, encontrar formas de economizar energia na

comunicacao e de suma importancia em RSSFs. Em uma rede multihop, cada no executa dois

papeis importantes: o de emissor de dados e o de roteador de dados. A falha em alguns nos

sensores devido a falta de energia pode causar mudancas significativas na topologia da rede,

sendo necessario o reenvio de pacotes e a reorganizacao da rede.

Protocolos de roteamento tambem devem considerar o modelo de transmissao de dados,

pois a forma como esses dados sao sensoriados e enviados em RSSFs tambem depende da

aplicacao e da urgencia na entrega da informacao. A transmissao dos dados em RSSFs pode

ser categorizada como: transmissao dirigida a tempo (contınuo), dirigida a evento, dirigida

a questionamento e hıbrida. O modelo de transmissao dirigido a tempo e adequado para

aplicacoes que requerem monitoramento periodico dos dados, nele, os sensores trocam e trans-

mitem dados de interesse periodicamente em intervalos de tempo. Em transmissoes dirigidas

a eventos e questionamentos, nos sensores reagem imediatamente a mudancas ocorridas nos


valores dos atributos sensoriados, devido a ocorrencia de um evento ou de uma nova requisicao

vinda do no sorvedouro. Uma combinacao dos modelos de transmissao e possıvel e os proto-

colos de roteamento sao altamente influenciados por esses modelos, entretanto sempre visando

economia de energia e estabilidade no roteamento.

Uma outra questao que deve ser considerada pelos protocolos de roteamento e a hetero-

geneidade dos nos/conexoes. Em muitos trabalhos de pesquisa, os nos sao considerados ho-

mogeneos, ou seja, possuem igualitarias capacidades de computacao, comunicacao e energia.

Entretanto, dependendo da aplicacao, um sensor pode assumir diferentes funcoes e possuir

diferentes caracterısticas. A existencia de um grupo de sensores heterogeneos sugere muitas

questoes tecnicas relacionadas ao roteamento de dados. Algumas aplicacoes necessitam de

uma variedade de sensores para monitorar eventos diferentes em um mesmo ambiente, por

exemplo, em uma floresta, pode haver necessidade de monitoramento da umidade, pressao,

temperatura e deteccao de movimentos. Esses sensores especiais podem ser depositados inde-

pendentemente para cada funcionalidade ou serem incluıdos no mesmo no sensor. Tolerancia

a falhas tambem e um desafio que deve ser considerado pelos protocolos de roteamento, pois

alguns sensores podem falhar devido a falta de energia, defeitos ou interferencia do meio. A

falha nos nos nao pode, de uma maneira geral, afetar ou interferir na tarefa da rede. Se muitos

nos falharem, a camada MAC e protocolos de roteamento devem permitir a formacao de novas

conexoes e rotas para coleta dos dados. Isto pode exigir ajuste na potencia de transmissao e

na taxa de sinal para reduzir o consumo de energia ou a escolha de uma nova rota atraves de

regioes da rede onde haja uma quantidade maior de energia.

RSSFs necessitam de uma quantidade suficiente de nos sensores depositados na area de

sensoriamento para evitar quebra de trajetorias e falhas devido as restricoes dos nos. Por isso,

protocolos de roteamento devem ser capazes de trabalhar em redes densas e ser escalaveis

em relacao ao numero do nos. Na maior parte das aplicacoes a arquitetura das RSSFs e

estacionaria. Entretanto, mobilidade tanto dos nos sensores como do no sorvedouro podem

ser necessarias em algumas aplicacoes. Roteamento de mensagens de/ou para nos moveis e

mais um desafio, uma vez que a estabilidade no roteamento torna-se uma questao importante,

tal como economia de energia, largura de banda e outras. Outro desafio em RSSFs e que os nos

trabalham de forma cooperativa, o que ocasiona uma redundancia nos dados gerados, ou seja,

pacotes contendo as mesmas informacoes podem ser disponibilizados na rede por varios nos.

Agregar dados redundantes diminui o numero de transmissoes. Esta tecnica tem sido usada

para alcancar eficiencia em energia e otimizar transferencia de dados em varios protocolos de

roteamento. E, finalmente, em algumas aplicacoes, os dados devem ser entregues dentro de

um determinado perıodo de tempo a partir do momento em que e detectado, caso contrario,

os dados nao serao uteis. Portanto, alta latencia na entrega dos dados e outra restricao para

aplicacoes com restricao de tempo. Entretanto, em muitas aplicacoes, conservacao de energia e

considerada mais importante que qualidade no envio de dados. Neste caso, a energia e reduzida


mas a rede pode ser obrigada a restringir a qualidade dos resultados a fim de diminuir o gasto

de energia, prolongando a vida util total de rede. Por isso, protocolos de roteamento cientes

da energia sao essenciais para atender esse requisito.

O estudo da camada de rede das RSSFs e de grande importancia devido a questoes de

gerenciamento de energia e confiabilidade na entrega dos pacotes que essa camada deve lidar.

Existe um grande esforco nesta area devido a sua importancia e diversos algoritmos tem sido

estudados e desenvolvidos. Outro fator importante e que RSSFs sao redes ımpares e apresen-

tam um comportamento diferenciado para cada aplicacao, portanto, a escolha do protocolo

de roteamento torna-se de suma importancia para o bom funcionamento da rede. O estudo

dos protocolos de roteamento para RSSFs apresenta grandes desafios, tornando-se uma area

de grande interesse para viabilizar redes cada vez mais eficientes. Na secao a seguir, a tecnica

de roteamento em curva para RSSFs e apresentada bem como um exemplo de protocolo de

roteamento utilizando esta tecnica.

2.4.2 Roteamento em Curva em RSSFs

A ideia basica do roteamento em curva e embutir a trajetoria na rota ou caminho do pacote

e permitir que nos intermediarios transmitam o pacote para aqueles nos que estao proximos ou

sob a trajetoria. Representar rotas como trajetorias e uma tecnica eficiente em escalabilidade

para redes densas. Uma vez que a trajetoria nao e representada pelos nos do caminho, ela nao

sofre modificacoes devido as mudancas na topologia da rede. Para enviar pacotes ao longo de

uma trajetoria, e necessario que a rede seja densa e que os nos consigam se auto posicionar em

relacao a um sistema de coordenadas e estimar suas distancias em relacao aos seus vizinhos.

O sistema de coordenadas pode ser um sistema de coordenadas relativa, global ou coordenada

ad hoc.

Um exemplo de protocolo de roteamento em curva e o Trajectory Based Forwarding (TBF),

proposto em [NN03]. Este protocolo utiliza a tecnica de definicao e manipulacao de rotas ou

trajetoria como uma funcao contınua e nao como um conjunto discreto de pontos. A ideia

principal do TBF e inserir uma equacao de curva no pacote e cada no intermediario decidir

qual o proximo no a propagar o pacote com base na distancia de seus vizinhos em relacao a

trajetoria contida no pacote.

O TBF e um algoritmo baseado no transmissor, porque o no atual escolhe o proximo no

da rota. Essa escolha e baseada na equacao da curva e em uma tabela de vizinhos. Para

atualizar essa tabela, os nos trocam periodicamente um pacote especial, denominado beacon.

Alem disso, no TBF, o no origem determina todo o caminho pelo qual o pacote sera roteado

ate o destino. E importante ressaltar que essa escolha nao e feita para cada no, isso e,

os parametros da curva determinarao os nos que participarao do roteamento, sem que seja

necessario listar todos nos da rota no pacote, o que representa um ganho em escalabilidade

e uma reducao do overhead do pacote. As principais vantagens do TBF sao: representacao


compacta, pois as curvas podem ser descritas utilizando poucos parametros, e a independencia

de nos, porque essa trajetoria nao e dependente de nenhum no especıfico.

No TBF, quando um no intermediario recebe um pacote, ele escolhe qual de seus vizinhos

deve propaga-lo. Na figura 2.8, o no N0 deve fazer essa escolha baseado em alguma polıtica.

Em [NN02, NN03], os autores fazem algumas sugestoes de polıticas para a escolha do proximo

no da rota que podem ser: vizinho mais proximo a curva, vizinho mais proximo ao destino ou

uma escolha aleatoria.

Figura 2.8: Escolha do proximo no, sendo N0 o atual [Mac05].

A figura 2.9 apresenta o fluxograma de operacao basico do TBF. Quando um no recebe

um pacote ele verifica se o mesmo e um pacote de dados ou um beacon: pacote especial

(figura 2.9 - ponto A). Se for um beacon, ele atualiza sua tabela de vizinhos (figura 2.9- ponto

B). Se o pacote recebido for um pacote de dados, o no verifica se ele e o no escolhido para

propagar o pacote recebido (figura 2.9, ponto C). Em caso negativo, o no apenas descarta

o pacote (figura 2.9, ponto D). Em caso afirmativo, o no seleciona o proximo no da rota

(figura 2.9, ponto E). Essa escolha e baseada na tabela de vizinhos do no atual e em uma

polıtica previamente definida. Depois da escolha, o no transmite o pacote (figura 2.9, ponto

F).

O presente trabalho propoe alteracoes no funcionamento dos protocolos S-MAC e TBF para

que ambos apresentem melhor desempenho quando o protocolo de roteamento utilizar curvas

nas escolhas dos nos. No entanto, para que mais benefıcios possam ser compartilhados entre

o S-MAC e o TBF (protocolo de roteamento escolhido para este trabalho), faz-se necessario

tanto a adaptacao do SMAC ao TBF, quanto do TBF ao SMAC. Portanto, da interacao entre

os dois protocolos e com o objetivo de fazer um projeto integrado entre essas duas camadas,

nasceu SMAC-RC (Sensor MAC Protocol for Routing on a Curve), que sera apresentado no

proximo capıtulo.


Figura 2.9: Funcionamento basico do TBF [Mac05].

2.5 Projeto Integrado em RSSFs

Diferente das redes tradicionais, RSSFs normalmente sao projetadas levando-se em con-

sideracao uma aplicacao especıfica. Considerando a grande especificidade das aplicacoes para

RSSFs, melhorias significativas de desempenho podem ser alcancadas se o controle e a troca

de informacoes entre duas ou mais camadas de protocolos forem otimizados de forma que

interacoes entre as camadas sejam exploradas. Essa tecnica e denominada projeto integrado

e ela tem recebido muita atencao por parte dos pesquisadores da area de RSSFs nos ultimos

anos [SL06, RI04, DFDZ05, SM05, LSS06, AVA06].

Tradicionalmente o projeto de redes de computadores segue uma arquitetura fixa de ca-

madas. Essa arquitetura divide o funcionamento da rede em pequenos modulos com diferentes

funcionalidades. O objetivo de cada camada e oferecer determinados servicos as camadas supe-

riores, isolando-as dos detalhes de implementacao desses recursos [Tan04]. Nessa arquitetura,

camadas adjacentes se comunicam atraves de interfaces que definem e intermedeiam a troca de

informacoes. A principal vantagem dessa arquitetura e que modificacoes em uma camada nao

influenciam no funcionamento das outras camadas. O modelo de referencia ISO/OSI [Zim80]

e a arquitetura TCP/IP [Cla88] seguem uma arquitetura fixa de camadas.

A arquitetura fixa de camadas e bastante adequada para redes de proposito geral que sao

aquelas projetadas para suportar qualquer tipo de aplicacao. Entretanto, como as RSSFs

sao projetadas levando-se em consideracao uma aplicacao especıfica, uma arquitetura fixa de

camadas pode nao ser a melhor solucao. Alem disso, questoes como gerenciamento de energia,

seguranca e cooperacao envolvem toda a pilha e nao podem ser tratadas apenas por uma unica

camada. Neste contexto, projetar solucoes que integram varias camadas da pilha de protocolos

de uma RSSF e um topico de pesquisa bastante promissor. Projeto integrado e a violacao

da arquitetura fixa de camadas permitindo a troca de informacoes e o compartilhamento de

variaveis entre camadas nao adjacentes.

Existem muitos trabalhos propostos na literatura sobre projeto integrado [SM05]. Em


[SM05], os autores apresentam um estado da arte baseado no acoplamento entre as camadas.

Neste trabalho, e proposta uma taxonomia para os protocolos que utilizam a arquitetura

integrada de camadas e divide os trabalhos de duas maneiras: na primeira abordagem, separa-

se os protocolos pela maneira como a violacao da arquitetura ocorre, podendo acontecer de

quatro formas como mostrado na figura 2.10: criacao de novas interfaces, figuras 2.10-(a) ate

2.10-(c), uniao de camadas adjacentes, figura 2.10-(d), projeto em conjunto, figura 2.10-(e) e

calibracao vertical de parametros, figura 2.10-(f).

Figura 2.10: Taxonomia de projetos integrados baseada em acoplamento entre as camadas[SM05].

Muitos projetos integrados necessitam da criacao de novas interfaces entre camadas. A

nova interface e usada para compartilhar informacoes entre as camadas em tempo real. A

violacao de arquitetura e a nova interface nao disponıvel na arquitetura em camadas. Esta

categoria pode ser dividida em tres sub-categorias dependendo da direcao que a informacao

segue:

• De baixo para cima: de uma camada mais baixa para uma mais alta;

• De cima para baixo: de uma camada mais baixa para uma mais alta;

• Ida e volta: fluxo interativo entre duas camadas.

Quando uma camada mais alta necessita de informacoes de uma camada mais baixa em

tempo real e necessaria a criacao de uma nova interface entre as camadas, com a comunicacao

ocorrendo de baixo para cima na pilha, figura 2.10-(a). Por exemplo, se o caminho fim-a-

fim do TCP contem um meio sem fio, erros deste meio podem levar o remetente TCP a

fazer inferencias erradas sobre o congestionamento da rede, e como resultado, deteriorar o


desempenho da mesma. A criacao de interfaces das camadas mais baixas para a camada de

transporte pode evitar tais situacoes. Por exemplo, a notificacao explıcita de congestionamento

do roteador para a camada de transporte no remetente TCP pode informar ao TCP remetente

se existe congestionamento na rede, isto lhe permite diferencar entre erros do meio sem fio

e de congestionamento. Exemplos similares de fluxo de informacao ascendente podem ser

encontrados na literatura, como e o caso da adaptacao da modulacao do canal, ou adaptacao

do meio. A ideia e adaptar os parametros de transmissao, tais como: potencia, modulacao e

taxa de codigo em resposta a condicao do canal. O que pode ser feito integrando a camada

MAC a partir de uma interface com a camada fısica.

Algumas propostas de projeto integrado [EW99], alteram parametros da camada inferior da

pilha em tempo de execucao utilizando uma interface direta de alguma camada superior, como

mostrado na figura 2.10-(b). Como exemplo, aplicacoes podem informar a camada de enlace

de dados suas exigencias de atraso e esta camada pode entao tratar pacotes de aplicacoes

sensıveis a latencia com prioridade. Projeto integrado ascendente, ou de baixo para cima,

tem como objetivo informar as camadas superiores sobre condicoes das camadas inferiores da

rede. Projeto integrado descendente, ou de cima para baixo e utilizado para prover dicas para

as camadas inferiores sobre como os dados das aplicacoes devem ser processados. Quando

duas camadas desempenham diferentes tarefas, elas podem colaborar uma com a outra em

tempo real. Frequentemente, isto se manifesta em um ciclo iterativo entre as duas camadas,

como ilustrado na figura 2.10-(c). Um exemplo e o Network Assisted Diversity Multiple Access

(NDMA) [DSZ04], no qual a camada fısica e a MAC colaboram na solucao da colisao em

um sistema de LAN sem fio. Basicamente, com melhorias no processamento do sinal da

camada fısica, tornando-se capaz de recuperar pacotes colididos. Assim, apos a deteccao de

uma colisao, a estacao base primeiro estima o numero de usuarios que tiveram colisao e,

em seguida, solicita um numero adequado de retransmissoes para o conjunto de usuarios que

colidiram. Entao, o processamento do sinal da camada fısica permite que a estacao base separe

os sinais de todos os usuarios que colidiram.

Outra forma de projeto integrado e a integracao de duas ou mais camadas adjacentes, em

conjunto, tal que o servico fornecido pela super camada seja a uniao dos servicos providos

pelas camadas que a compoem, como ilustrado na figura 2.10-(d). Para isto, nao necessita

que uma nova interface seja criada, de uma maneira arquitetonica, a super camada pode ser

a interface com o restante da pilha, utilizando as interfaces que ja existiam na arquitetura

original. A figura 2.10-(e) mostra uma outra categoria de projeto integrado na qual duas

ou mais camadas sao acopladas em tempo de desenvolvimento sem a criacao de quaisquer

interfaces extras para partilhar informacoes no decorrer do processo. Como novas interfaces

nao sao criadas, nao e possıvel substituir uma camada sem executar alteracoes correspondentes

na outra camada envolvida no projeto integrado. Enquanto nao forem criadas novas interfaces,

o custo arquitetonico aqui e que ele pode nao ser possıvel substituir uma camada sem fazer


alteracoes correspondentes para outra camada.

A ultima categoria na qual projeto integrado se enquadra na literatura, e denominado

calibracao vertical de parametros [SM05]. Como o proprio nome sugere, essa categoria ajusta

os parametros que abrangem todas as camadas, conforme ilustrado na figura 2.10-(f). A

motivacao nesta tecnica e que o desempenho da aplicacao e funcao dos parametros de todas as

camadas abaixo dela. Desta forma, configuracoes comuns podem ajudar a alcancar melhores

resultados do que em configuracoes individuais dos parametros. Calibracao vertical pode ser

executada de uma forma estatica, o que significa alterar os parametros em toda as camadas

em tempo de desenvolvimento com a otimizacao de algumas metricas. Tambem pode ser

executada dinamicamente em tempo de execucao, ou seja, simulando uma pilha de protocolos

flexıveis que responde a variacoes no canal, no trafego e nas condicoes gerais da rede.

Uma outra taxonomia proposta em [SM05], e dividir os protocolos de acordo com sua

implementacao em tres categorias: comunicacao direta entre as camadas, na qual a violacao

pode ocorrer com o compartilhamento direto das informacoes atraves do auxılio de interfaces,

ou entao, com a adicao de uma base de dados compartilhada atraves das camadas e a criacao

de novas abstracoes, como ilustra a figura 2.11. Esta e uma classificacao proposta de forma

generica e aplicavel para qualquer tipo de redes sem fio.

(a) Compartilhamento di-reto das informacoes.

(b) Base de dados compartilhada.

Figura 2.11: Taxonomia de projetos integrados baseada na implementacao [SM05].

Uma maneira simples de permitir compartilhamento direto de informacoes entre as ca-

madas e o permitir que as mesmas se comuniquem umas com as outras, como ilustrado na

figura 2.11-(a). Nota-se que esta tecnica e aplicavel quando e necessaria a troca de informacoes

em tempo real entre as camadas. Isto significa tornar as variaveis de uma camada visıveis

para outras camadas no decorrer do processo. A outra forma de projeto integrado, e propor

uma base de dados comum que pode ser acessada por todas as camadas, conforme ilustrado

na figura 2.11-(b). Pode-se dizer que a base de dados em comum e como uma nova camada,

provendo servicos de armazenamento e recuperacao de informacao a todas as camadas. A


abordagem da base de dados compartilhada e particularmente bem adaptada ao modelo de

calibracao vertical dos parametros. Uma programa de otimizacao pode interferir com diferen-

tes camadas de uma so vez, atraves da base de dados compartilhada. Do mesmo modo, as

novas interfaces entre as camadas tambem podem ser construıdas atraves do compartilhamento

do banco de dados [SM05].

O trabalho proposto em [HLN+04] apresenta a utilizacao do projeto integrado entre as

camadas MAC e de roteamento. Nesse trabalho, foi utilizado um protocolo MAC que mini-

miza o consumo de energia da rede atribuindo modos de operacao aos nos sensores: ativo,

passivo e adormecido. Os nos no estado ativo encaminham as mensagens dos nos que estao

no estado passivo. Os nos no estado adormecido permanecem no estado de baixo consumo

de energia por uma determinada quantidade de tempo. Para o roteamento, foi escolhido um

protocolo sob-demanda e dinamico. A integracao entre o protocolo MAC e roteamento ocorre

quando o roteamento necessita conhecer a topologia da rede para entregar os pacotes aos seus

destinatarios. Nesse momento, o algoritmo de roteamento acessa a tabela de vizinhos da ca-

mada MAC, que possui uma lista dos nos vizinhos ativos e aptos a participar do roteamento.

Essa abordagem mostrou-se eficiente, principalmente em ambientes dinamicos nos quais os

nos sensores alternam seus modos de operacao.

Em [FM04], e proposto um protocolo integrado que utiliza tecnicas basicas de codificacao

para reduzir a interferencia entre duas ou mais rotas. Nessa proposta, cada rota e construıda

utilizando uma sequencia de codigos que indicam o nıvel de interferencia entre elas. O codigo

criado e compartilhado entre as camadas MAC e rede e essa informacao juntamente com a

codificacao ajuda a definir os caminhos para o roteamento de modo a diminuir a interferencia

entre uma rota e outra. Apos o processamento, as rotas definidas tendem minimizar o nıvel

de interferencia entre elas.

2.6 Conclusoes

Em RSSFs, uma das principais tarefas e transportar dados sensoriados e/ou processados

de uma regiao ate o usuario final atraves de uma rota. Este processo, tambem conhecido

como comunicacao de dados, engloba as fases de transmissao e recepcao dos mesmos. A

camada MAC e a camada da rede que trata o funcionamento e o gerenciamento do radio que

e o elemento responsavel pela comunicacao. Alem de gerenciar os parametros do radio, ela

tambem efetua o controle de acesso ao meio.

Dentre os processos executados pelas RSSFs, comunicacao e o que mais consome energia.

Devido as restricoes de energia em RSSFs, o estudo de protocolos de baixo consumo para a ca-

mada MAC tem-se tornado uma grande area de pesquisa. Alguns protocolos foram propostos,

como e o caso do T-MAC, SE-MAC e S-MAC, mas em nenhum deles, o conhecimento sobre a

energia remanescente em regioes da rede foi levado em consideracao para gerenciamento dos


radios.

O protocolo TBF utilizado neste trabalho emprega uma tecnica para disseminar pacotes

do no sorvedouro para um conjunto de nos ao longo de uma curva pre-definida. No TBF, a

trajetoria e definida por uma funcao contınua, cujos parametros sao inseridos no cabecalho do

pacote de roteamento. Dessa forma, cada no intermediario decide qual sera o proximo no a

propagar o pacote com base na equacao dessa curva. Em RSSFs, conhecer quais nos proximos

a essa curva estarao ativos e muito importante para evitar a quebra das curvas e reduzir a

latencia da transmissao dos dados a rede.

Este trabalho propoe o desenvolvimento de um protocolo MAC que visa a reducao da

latencia na comunicacao. Devido a importancia do roteamento em RSSFs e das vantagens

advindas do uso de protocolos MAC eficientes em energia, e proposto nesse trabalho o protocolo

SMAC-RC, um protocolo MAC que incorpora os dados providos pelo roteamento em curva

para gerenciar o funcionamento do radio. O funcionamento do protocolo SMAC-RC e suas

caracterısticas serao apresentados no capıtulo 3.

32

Capıtulo 3

S-MAC para Roteamento em Curva

3.1 Introducao

Este capıtulo apresenta o Sensor MAC for Routing on a Curve (SMAC-RC), um protocolo

da camada MAC adaptado para o roteamento em curva em RSSFs. A ideia principal deste

protocolo e utilizar caracterısticas do projeto integrado para compartilhar informacoes entre

os protocolos da camada MAC que utilizam tabela de vizinhos e protocolos de roteamento

do tipo sender-based. Os protocolos escolhidos neste trabalho foram o S-MAC e o TBF.

Conforme mostra a figura 3.1, da forma na qual esses protocolos foram propostos, o TBF

estaria na camada de rede e o S-MAC na camada de enlace. Entretanto, no projeto integrado,

esta estrutura rıgida entre as camadas e flexibilizada, de forma que o TBF e o SMAC-RC

cooperam a fim de proporcionar melhorias no desempenho de ambos, reduzindo a complexidade

na implementacao e minimizando a latencia na rede.

Figura 3.1: Compartilhamento de informacao entre camadas.

Como explicado na secao 2.4.2, no protocolo TBF, o no atual escolhe o proximo no da rota

CAPıTULO 3. S-MAC PARA ROTEAMENTO EM CURVA 33

para propagar o pacote, baseado na equacao da trajetoria e em uma tabela de vizinhos, que

e atualizada periodicamente, atraves da troca de um pacote especial denominado beacon. No

TBF, quando um no recebe um pacote beacon, ele atualiza sua tabela de vizinhos. Entretanto,

se o pacote for de dados e nao um beacon, o no verifica se ele e o no eleito para propagar o

pacote. Se nao for, o pacote e descartado. Entretanto, se ele for o no eleito, ele seleciona

o proximo no a receber o pacote. Uma vez escolhido o proximo no, o pacote e entregue ao

S-MAC para ser transmitido.

Para ilustrar o funcionamento do TBF com o S-MAC, sem o projeto integrado, considere a

figura 3.2. Sejam N0 e N1 os nos envolvidos no processo de roteamento do pacote, sendo N0 o

no atual e N1 o proximo no a receber o pacote. A informacao do proximo no a receber o pacote

e inserida no cabecalho do pacote e o mesmo e entregue a camada MAC. Com base nestas

informacoes, a camada MAC enviara este quadro ao proximo no, via difusao. Entretanto,

como em RSSFs os nos dormem para economizar energia, o no atual devera aguardar ate que

o no escolhido para receber o pacote esteja acordado, o que aumenta a latencia da rede.

Figura 3.2: Escolha do proximo no a propagar o pacote no TBF.

A tecnica de projeto integrado entre as camadas de rede e enlace proposta neste trabalho

visa atacar a principal desvantagem do TBF, que e a construcao e atualizacao da tabela de

vizinhos e tambem flexibilizar a escolha dos nos que propagam o pacote, a fim de reduzir a

latencia na comunicacao de dados. A proxima secao apresenta o funcionamento basico do

SMAC-RC.

3.2 Funcionamento Basico

O protocolo SMAC-RC e um projeto integrado entre a camada de roteamento e a camada

MAC, resultante da adaptacao do S-MAC para o roteamento em curva do TBF. No S-MAC,

os nos permanecem por um perıodo de sono, com seus radios desligados e ajustam um relogio

para acorda-los mais tarde. Esse protocolo tambem utiliza sincronizacao entre os nos vizinhos

para reduzir o erro de relogio, ou seja, todos os vizinhos mantem uma tabela para conhecer


os perıodos de dormencia e atividade dos nos.

A primeira contribuicao do SMAC-RC e evitar a principal desvantagem do TBF, que e

a construcao e a atualizacao da tabela de vizinhos. Nesse novo protocolo, o TBF utiliza a

tabela de vizinhos ja construıda e atualizada pelo S-MAC, o que poupa o retrabalho dessa

operacao. A segunda proposicao do SMAC-RC e que a camada de roteamento nao mais

encaminhe a camada MAC apenas o proximo no que ira propagar o pacote, mas encaminhe

uma lista ordenada dos nos candidatos a faze-lo. Dessa forma, o SMAC-RC ganha uma certa

flexibilidade com relacao a escolha do proximo no, podendo escolher, por exemplo, o no que

estara acordado num tempo mais proximo. Como a lista passada e ordenada por prioridade,

nos mais proximos a curva terao maior probabilidade de propagar o pacote (considera-se aqui

que a polıtica de escolha do no seja essa).

Para ilustrar o funcionamento do TBF quando executado juntamente com o SMAC-RC

considere a figura 3.3. Nesta figura, os nos N0, N1, N2 e N3 sao os envolvidos no processo de

disseminacao e os numeros apresentados representam o tempo restante para que os mesmos

acordem. Neste caso, o no N0 (no atual) deve eleger o proximo no que recebera o pacote.

Na proposta de projeto integrado implementada neste trabalho, o protocolo TBF recebera a

tabela de vizinhos advinda do protocolo SMAC-RC. De posse desta tabela, o protocolo TBF

nao escolhera apenas o proximo no a propagar o pacote, mas uma lista de provaveis nos a

propagar este pacote, considerando a polıtica de escolha do no utilizada, que no exemplo serao

os nos N1, N2 e N3. Esta informacao e entregue a camada MAC que, com base nesta lista

escolhe o no que estara acordado primeiro para enviar o pacote. Na figura 3.3, o no mais

proximo ao ponto de referencia e que deveria ser escolhido como o proximo a receber o pacote

seria o no N1. Entretanto, como e passada uma lista com os nos candidatos ao roteamento, o

protocolo SMAC-RC escolhe o no N2 para receber o pacote, pois e o no que estara acordado

primeiro. Esta escolha reduzira a latencia oriunda da utilizacao dos protocolos TBF e S-MAC.

Figura 3.3: Escolha dos nos que participarao da lista de roteamento.

A secao 3.3 e a secao 3.4 apresentarao, respectivamente, o funcionamento do SMAC-RC

quanto ao envio do pacote que ocorre no no sorvedouro, e quanto a propagacao do pacote nos

nos sensores.


3.3 Envio de Pacote no No Sorvedouro

No projeto integrado do TBF com o SMAC-RC, o processo de disseminacao se inicia

quando o no sorvedouro deseja enviar alguma informacao para os nos sensores. Considere a

figura 3.4 que mostra o funcionamento do protocolo SMAC-RC para o envio do pacote no

no sorvedouro. Para iniciar a disseminacao, no TBF, o no sorvedouro recebe a equacao da

curva (figura 3.4, ponto A). Em seguida, de posse das informacoes dessa curva, o no sorvedouro

calcula o ponto de referencia, que e a intersecao entre a curva e o seu raio (figura 3.4, ponto B),

e escolhe o no mais proximo a esse ponto para propagar o pacote na disseminacao, conforme

mostrado na figura 3.5. Desta forma, para iniciar o processo de disseminacao, o no sorvedouro

escolhe apenas um no para encaminhar o pacote ao inves de uma lista de possıveis nos. Em

seguida, um pacote contendo as informacoes de disseminacao e criado com todos os cabecalhos

preenchidos e enviado na rede em direcao ao proximo no, como mostrado na figura (figura 3.4,

pontos D e E).

Figura 3.4: Propagacao de pacotes no no sorvedouro.

3.4 Propagacao do Pacote

No projeto integrado do TBF com o SMAC-RC, o processo de escolha do proximo no se

inicia quando o no atual recebe um pacote. Considere a figura 3.6 que mostra o funcionamento

do protocolo TBF para a propagacao do pacote nos nos sensores. Quando o no recebe um

pacote, ele acessa as informacoes contidas no cabecalho do TBF e verifica se ele e o no eleito

para propagar o pacote na curva. Em caso negativo, o no descarta o pacote (figura 3.6, pontos

A e B). Do contrario, o no consulta a tabela de vizinhos obtida pela interacao com a camada

MAC (figura 3.6, ponto C). Em seguida, o no obtem um ponto de referencia para nortear a

disseminacao e verifica entre seus vizinhos quais sao os mais proximos do ponto de referencia.

Estes vizinhos sao escolhidos dentre os nos que se encontram ate uma certa distancia do ponto

de referencia. Os nos selecionados sao adicionados a lista de identificadores (figura 3.6, ponto

D). Como exemplo, considere a figura 3.7 na qual o no N1 e o no eleito a propagar o pacote. N1


Figura 3.5: Primeira disseminacao de dados.

deve escolher os possıveis proximos nos a serem adicionados a lista que sera entregue a camada

MAC. Ele faz isso selecionando todos os nos a uma certa distancia do ponto de referencia,

dentro do seu raio. Neste caso, os nos N3, N5 e N8 sao os escolhidos.

Figura 3.6: Propagacao de pacotes na camada de rede dos nos sensores.

A figura 3.8 ilustra o funcionamento da propagacao do pacote na camada MAC. Para

terminar a tarefa na camada de roteamento, o no encaminha o pacote juntamente com a lista

dos nos selecionados para a camada MAC, (figura 3.6, pontos E e F). Na camada MAC os

parametros sao recebidos e em seguida, o no verifica, dentre os nos contidos na lista, qual no

estara acordado no instante mais proximo (figura 3.8, ponto A). Escolhido o no, o cabecalho

do protocolo TBF e acessado e alterado, ou seja, o no destino e inserido no cabecalho do


protocolo TBF destinado a armazenar esta informacao. Dessa forma, as informacoes do no que

encaminhara o pacote sao inseridas (figura 3.8, ponto B e C), o que caracteriza a abordagem

de projeto integrado deste trabalho. Por fim, o no transmite o quadro dando continuidade a

disseminacao na rede (figura 3.8, ponto D).

Figura 3.7: Escolha dos proximos nos pelo TBF.

Figura 3.8: Propagacao de pacotes na camada MAC dos nos sensores.

3.5 Conclusoes

O presente capıtulo apresentou o protocolo SMAC-RC (Sensor MAC Protocol for Routing

on a Curve), um protocolo para disseminacao de dados que utiliza a tecnica de projeto inte-

grado da camada de roteamento com a camada MAC para as RSSFs. A ideia principal do

SMAC-RC e que ambas as camadas em seu escopo possam beneficiar-se das informacoes uma

da outra, de forma a maximizar o desempenho da rede, sendo o maior desafio do SMAC-RC,

a reducao do valor da latencia na rede, tornando mais eficiente a disseminacao de dados em

curvas em RSSFs. No proximo capıtulo serao apresentados os resultados de simulacao para

os algoritmos propostos neste capıtulo.

38

Capıtulo 4

Resultados de Simulacao

Este capıtulo apresenta os resultados de simulacao do protocolo SMAC-RC em um cenario

de disseminacao de dados. Uma serie de disseminacoes sao executadas periodicamente para

enviar dados para todos os nos da rede. O protocolo proposto e comparado com o TBF/S-

MAC, conforme ilustra a figura 4.1. O restante do capıtulo se divide da seguinte forma. A

secao 4.1 descreve os parametros do cenario da rede e os detalhes das simulacoes. A secao 4.2

apresenta os resultados relativos a latencia media dos pacotes trafegados na rede. A secao

4.3 apresenta a cobertura da rede para os algoritmos comparados. A secao 4.4 apresenta os

resultados com relacao aos pacotes recebidos e enviados. A secao 4.5 apresenta o consumo de

energia durante o tempo de simulacao e, por fim, a secao 4.6 apresenta a porcentagem de nos

mortos em funcao do tempo de simulacao.

(a) TBF/S-MAC (b) SMAC-RC

Figura 4.1: Protocolos dos cenarios avaliados.

4.1 Cenario

Para avaliar o desempenho do algoritmo para controle de acesso ao meio que utiliza dados

do roteamento em curva, o presente trabalho implementou o protocolo TBF com os protocolos

S-MAC original e SMAC-RC no simulador ns-2.32 (Network Simulator) [NS2]. As simulacoes

consideram uma rede de sensores com 500 nos, estaticos e homogeneos, dispostos de forma

CAPıTULO 4. RESULTADOS DE SIMULACAO 39

aleatoria na area de sensoriamento de 50 m × 50 m, com energia finita. Cada no possui energia

inicial de 100 J e raio de comunicacao de 5 m. O no sorvedouro, localizado no canto inferior

esquerdo da rede, conhece a localizacao de todos os nos da rede e nao possui restricoes de

energia. O tempo total de simulacao e de 1000 segundos e as mensagens sao uniformemente

disseminadas na rede. Essas disseminacoes sao feitas sobre cinco trajetorias, isso e, a rota dos

pacotes na rede e determinada por cinco curvas geradas para o TBF [NN03]. O desempenho

do projeto integrado proposto e comparado com o do TBF executado com o S-MAC original.

Apos a concepcao, o projeto e a implementacao do algoritmo SMAC-RC, foram efetuadas

33 simulacoes, de forma que os dados apresentassem desvios padroes baixos, mantendo, assim,

uma confianca aceitavel da amostra. Para os graficos, considerou-se um intervalo de confianca

de 95% dos valores. A tabela 4.1 mostra os parametros utilizados para as simulacoes.

Quantidade de nos 500

Area de sensoriamento 50 m × 50 mLocalizacao do no sorvedouro (0,0)Tempo da simulacao 1000 sRaio de comunicacao do no 5 mEnergia inicial 100 JNumero de mensagens de disseminacao 50Intervalo entre troca de pacotes beacon 50 sDuty cycle 60%

Tabela 4.1: Parametros de configuracao da rede.

Para a escolha dos parametros da tabela 4.1, considerou-se que a rede deveria manter

ıntegras as rotas do TBF, que podem ser quebradas pela falta de conectividade. O valor

medio de conectividade apresentado nas simulacoes foi de seis nos, isso e, em media, cada no

possui seis vizinhos nesse cenario. O valor do duty cycle influencia diretamente no consumo

de energia da rede. Num ambiente em que a economia de energia e prioritaria, esse valor

pode ser reduzido. Para RSSFs em geral, a economia de energia e muito importante, contudo,

a aproximacao do duty cycle a zero faz com que o comunicacao seja comprometida. Isso

ocorre em funcao da reducao do perıodo em que o no troca pacotes, que gera agendamentos

cumulativos para a propagacao desses, o que maximiza o valor medio de latencia da rede. A

figura 4.2 apresenta os valores medios de consumo de energia da rede variando-se o duty cycle

no protocolo S-MAC.

Pelo grafico, pode-se observar que, quanto maior o valor do duty cycle, maior o consumo

de energia na rede. Isso ocorre porque o no permanece mais tempo acordado, o que faz com

que seu radio fique ativo ou em idle por perıodos mais longos. Portanto, o valor do duty cycle

pode ser ajustado em funcao da aplicacao para qual a rede sem fio esta sendo utilizada, ficando

sob responsabilidade do desenvolvedor administrar o trade off entre a economia de energia e

a qualidade da comunicacao na rede.


Figura 4.2: Consumo de energia em funcao do duty cycle para o S-MAC.

4.2 Latencia na Transmissao de Dados

A latencia e dada pelo intervalo de tempo entre o inıcio da disseminacao do pacote, no

no sorvedouro, e a chegada do mesmo no no sensor. Seu valor cresce a medida que o pacote

afasta-se do no sorvedouro. O grafico da figura 4.3 apresenta os valores de latencia do TBF/S-

MAC e a do SMAC-RC em funcao do numero de saltos que a mensagem passou. Observa-se

que o projeto integrado proposto neste trabalho reduz a latencia em torno de 90%, o que e

um resultado significativo.

Como o S-MAC constantemente agenda a propagacao de pacotes para o perıodo DATA

dos nos, como visto na secao 2.3, ele aguarda o inıcio deste perıodo para enviar os dados. Se

o proximo no escolhido pelo TBF para rotear estiver em seu perıodo SYNC ou na fase de

dormencia, o S-MAC aguardara que ele retorne ao perıodo DATA. No protocolo SMAC-RC,

este atraso no envio das mensagens e reduzido, quando nao, extinto, uma vez que a camada

MAC recebe do TBF uma lista com os provaveis nos a rotear o pacote, ela utiliza a informacao

de quando os nos estarao acordados para selecionar aquele que acordara primeiro.


0

50

100

150

200

0 3 6 9 12 15 18

Latê

ncia

(se

gund

os)

Número de saltos

TBF / S−MACSMAC−RC

Figura 4.3: Latencia em funcao da distancia.

4.3 Cobertura da Rede

A cobertura da rede e dada pela quantidade de nos que recebem os pacotes disseminados

pelo no sorvedouro. Caso o objetivo seja difundir uma informacao a toda rede, e desejavel

que esse valor aproxime-se de 100% dos nos. Contudo, a forma como esse valor e atingido tem

grande importancia quando a rede possui restricoes locais de energia, isso e, se em alguma

regiao da rede a energia residual dos nos e abaixo da media. Nesses casos, e interessante que

haja o controle das regioes onde as transmissoes de pacotes sao feitas, para evitar que a energia

da rede se esgote.

A cobertura do protocolo SMAC-RC se mostrou melhor a partir de aproximadamente

15 disseminacoes, conforme o grafico da figura 4.4. Isto devido ao fato do protocolo TBF,

quando executado sem o projeto integrado, necessitar do envio de pacotes beacons, ou seja,

esses pacotes concorrem com os pacotes de dados, pois, para a camada MAC nao ha distincao

da carga que o pacote carrega. Como a cobertura apresentada neste grafico corresponde ao

percentual de nos que receberam pacotes de dados, o projeto integrado SMAC-RC permite o

envio de um maior numero de pacotes de dados, enquanto que no TBF/SMAC, uma fracao

da largura de banda e desperdicada com envio de pacotes beacon do TBF.


0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50

Nós

alc

ança

dos

(%)

Disseminações


Figura 4.4: Porcentagem dos nos alcancados por disseminacao.

4.4 Transmissao e Recepcao de Pacotes

Esta secao apresenta a relacao entre os pacotes recebidos e os pacotes transmitidos na

rede. E desejavel que a razao de pacotes recebidos por pacotes enviados seja a maior possıvel,

pois isso representa que menos transmissoes sao necessarias para que um mesmo grupo de

nos receba os pacotes. Os resultados da simulacao sao apresentados na figura 4.5, na qual o

eixo das abscissas e o tempo de amostragem e as ordenadas os valores da razao de pacotes

recebidos por pacotes enviados, desde a ultima medicao ate o momento atual.

5.4

5.6

5.8

6

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Pac

otes

rec

ebid

os /

Pac

otes

tran

smiti

dos

Tempo (segundos)


Figura 4.5: Razao de pacotes recebidos pelos transmitidos em funcao do tempo.


Do grafico e possıvel inferir que SMAC-RC apresentou um desempenho melhor ao TBF/S-

MAC ate 700 segundos, aproximadamente. E importante ressaltar que, para essa metrica,

todos os algoritmos se apresentaram estaveis, isso e, nao houve grandes variacoes dos valores

durante o perıodo de simulacao, o que pode ser confirmado pela distribuicao uniforme dos

eventos de disseminacao na rede, que, conforme a tabela 4.1, ocorrem a cada 20 segundos.


4.5 Energia Residual na Rede

Esta secao apresenta o consumo de energia na rede para as simulacoes realizadas, conforme

apresentado no grafico da figura 4.6. No eixo das abscissas esta o tempo de simulacao, e

no eixo das ordenadas, o valor de energia residual em joules. E importante ressaltar que,

tanto o TBF/S-MAC quanto o SMAC-RC tem um gasto inicial de energia antes do inıcio das

disseminacoes, que ocorre a partir de 110s, isto porque os dois algoritmos utilizam essa energia

para a descoberta da rede e sincronizacao dos nos.

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800 1000

Ene

rgia

res

idua

l (Jo

ules

)

Tempo (segundos)


Figura 4.6: Energia residual em funcao do tempo.

Como foi ressaltado em todo trabalho, as RSSFs tem restricoes rigorosas no que diz respeito

ao consumo de energia, por isso e extremamente significativo que os novos algoritmos propostos

para esses tipos de redes consigam reduzir o consumo de energia, prolongando assim o tempo

de vida da rede. Em relacao a essa metrica, o SMAC-RC e o TBF/S-MAC obtiveram um

desempenho semelhante, o que pode ser observado pela sobreposicao de suas curvas. Isto

porque, tanto o TBF/S-MAC quanto o SMAC-RC usam o mesmo duty-cycle, ou seja, no

projeto integrado proposto nao houve nenhuma mudanca em relacao ao perıodo de escuta e

dormencia quando comparado com o S-MAC original.

4.6 Nos Mortos

Esta secao apresenta a quantidade de nos mortos na rede ao longo do tempo. E desejavel

que um numero elevado de nos permanecam funcionando durante um longo perıodo. Os

resultados da simulacao sao apresentados na figura 4.7, na qual o eixo das abscissas e o tempo

de amostragem e as ordenadas os valores da porcentagem de nos mortos. Pode-se inferir do


grafico que os dois protocolos apresentaram resultados semelhantes porque ambos apresentam

consumo de energia semelhante.

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800 1000

Nós

mor

tos

(%)

Tempo (segundos)


Figura 4.7: Porcentagem de nos mortos.

4.7 Conclusoes

A partir da analise dos resultados, pode-se concluir que o algoritmo SMAC-RC obteve uma

melhora significativa na latencia no envio de dados e na cobertura da rede, aproximadamente

90%. Isso se deve ao fato do algoritmo proposto utilizar o projeto integrado entre as camadas

de rede e enlace de dados para compartilhar informacoes. Dessa forma, ambas as camadas

beneficiaram-se dos dados uma da outra, melhorando o desempenho em cada no da rede,

o que, consequentemente reduz a latencia. Uma outra metrica que se mostrou superior ao

SMAC-RC quando comparado com o TBF/S-MAC foi a cobertura de rede, uma vez que, no

protocolo proposto nao ha a necessidade do envio de pacotes beacon necessaria no protocolo

TBF original e tambem a razao entre os pacotes recebido pelos pacotes transmitidos.

46

Capıtulo 5

Conclusoes e Trabalhos Futuros

Neste trabalho foi proposto um projeto integrado entre protocolos de roteamento do tipo

sender-based da camada de rede com protocolos que utilizam a tabela de vizinhos da camada

MAC para as RSSFs. A ideia principal do protocolo proposto, SMAC-RC, e que ambas as

camadas possam se beneficiar das informacoes uma da outra, de forma a melhorar o desem-

penho da rede. As duas principais contribuicoes do SMAC-RC foram a sensıvel reducao no

valor da latencia na rede, em torno de 90%, tornando mais eficiente a disseminacao de dados

em curvas em RSSFs, a melhoria na cobertura da rede e na transmissao dos dados. Alem disso,

o SMAC-RC conseguiu manter-se semelhante ao S-MAC para as outras metricas avaliadas.

Como trabalhos futuros, pretende-se tornar o duty cycle dinamico, ajustavel com a quan-

tidade de trafego e a periodicidade de eventos na rede. Assim, sera possıvel escalonar o

funcionamento do no de maneira mais eficiente sem prejudicar a coleta e entrega dos dados.

Pretende-se tambem avaliar o protocolo proposto diminuindo o duty cycle para economizar

energia na rede. Uma vez que este parametro define o ciclo de atividade do no, diminuı-lo

significa aumentar o perıodo no qual o no permanecera em estado de dormencia.

Um outro ponto interessante e avaliar a interacao entre outras camadas na rede e mensurar

o real ganho que a rede obtem com essa interacao. Pode-se tambem estudar outros protocolos

mais especıficos para RSSFs e agregar as caracterısticas peculiares de cada um para propor-

cionar um melhor desempenho da rede e tambem um melhor aproveitamento de todos os seus

recursos.

47

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