Universidade do Vale do Rio dos Sinos - São Leopoldo -

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1 Universidade do Vale do Rio dos Sinos - São Leopoldo -
Redes Avançadas Prof. Mateus Raeder Universidade do Vale do Rio dos Sinos - São Leopoldo -

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Redes de Sensores Mundialmente conhecidas como WSN (Wireless Sensor Network) Desenvolvidas pelos militares Vigiar o campo de batalha Hoje em dia, são utilizadas em diversas áreas Saúde Segurança Meio ambiente Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Exemplos de aplicação Controle (por exemplo no controle de peças de uma indústria) Ambiente (monitorar áreas como edifícios, oceanos, vulcões, residências, etc.) Tráfego (monitorar rodovias) Segurança (em estacionamentos) Militar (movimentos inimigos, presença de substâncias nocivas, radiação, Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Exemplos de aplicação Medicina Monitorar órgãos Presença de substâncias indesejáveis Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Exemplos de aplicação Produção industrial fluxo, pressão, temperatura, e nível Vazamento e aquecimento Extração de petróleo Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Mas, qual a idéia principal de uma rede de sensores? Basicamente, monitorar e estudar um determinado fenômeno ou acontecimento Auxiliando na tomada de decisão Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Diferente das redes estruturadas e também das redes ad-hoc “comuns” (MANETS) MANETS: permitir a comunicação WSN: colaboração entre os sensores para um objetivo Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Mas, qual a idéia principal de uma rede de sensores? Basicamente, monitorar e estudar um determinado fenômeno ou acontecimento Auxiliando na tomada de decisão Definições para rede de sensores Uma rede sem fio, formada por um grande número de sensores pequenos plantados sobre uma base ad-hoc para detectar e transmitir alguma característica física do ambiente Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Outra definição Um conjunto de nós individuais (sensores) que operam sozinhos, mas que podem formar uma rede com o objetivo de reunir as informações individuais de cada sensor para monitorar um determinado fenômeno Os sensores podem ou não se mover juntamente com o fenômeno observado Sensores em animas para determinar comportamento Sensores em crateras de vulcões para analisar os riscos de uma possível erupção Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Os sensores O nó sensor é o elemento central da rede WSN Integra capacidade de processamento com comunicação sem fio Monitorar ambientes de difícil acesso ou perigosos Vulcão, campos nucleares, áreas inimigas, fundo do oceano São embutidos em uma área geográfica Interagem com o ambiente Menores e menos confiáveis do que roteadores comuns Geram (e armazenam) dados detectados Podem ser móveis Sistemas operacionais muito menores (TinyOS, linguagem NesC) Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Existem diferentes tipos de sensores Imagem Som Temperatura Vibração Movimento Etc... Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Características das Redes de Sensores 3 características principais O sensor O observador O fenômeno Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Características das Redes de Sensores 3 características principais O sensor Dispositivo que implementa a monitoração do ambiente Gera relatório de medidas (comunicação sem fio) Habilidade de detecção diminui com a distância do fenômeno Possui tipicamente 5 componentes: Detector de hardware (sensor) Memória (128 Kbytes a 1Mbyte) Bateria Processador embutido (8 bits e 10MHz) Transmissor-receptor (1kbit/s ou 1Mbit/s) Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Exemplos de sensores Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Características das Redes de Sensores 3 características principais O observador Usuário final interessado nas informações disseminadas pela rede Pode indicar interesses para a rede Recebe respostas para as suas consultas Podem existir, inclusive, múltiplos observadores Que serão podem ser tratados como instâncias de um único observador Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Características das Redes de Sensores 3 características principais O fenômeno É a entidade de interesse do observador É a entidade que está sendo monitorada As informações do fenômeno serão analisadas/filtradas pelos sensores da rede de sensores Múltiplos fenômenos podem ser analisados concorrentemente em uma rede Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores O observador está interessado em monitorar o comportamento de um fenômeno Os sensores, então, apresentam amostras de seus valores locais e disseminam a informação Para outros sensores Para o observador Algumas métricas de desempenho são importantes Eficiência de energia e vida útil do sistema Latência e precisão Tolerância a falhas Escalabilidade Exposição dos sensores Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Ciclo de vida da rede de sensores Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Ciclo de vida da rede de sensores Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Estabelecimento da rede de sensores Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Eficiência de energia e vida útil do sistema Nós sensores são operados por bateria Protocolos devem ser eficientes Utilizar menos energia possível Aumentar a vida do sistema como um todo Vida útil pode ser medida por parâmetros genéricos Tempo de nós ativos Por exemplo, tempo que metade dos nós vão estar ativos Tempo de envio de informações Tempo em que a rede para de suprir a aplicação com a informação desejada Protocolo S-MAC (Sensor-Medium Access Control) Redes nas quais os nós permanecem muito tempo inativos Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Latência e precisão O observador quer estudar o fenômeno dentro de um determinado espaço de tempo O objetivo principal do observador é obter a informação com precisão Compromisso entra precisão, latência e economia de energia A aplicação deve receber as informações com precisão, no tempo desejado, com o uso mínimo de energia Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Tolerância a falhas Sensores podem falhar Más condições físicas Falta de bateria Acidentalmente (ou propositadamente) destruídos A rede deve ser tolerante a falhas Por exemplo, com replicação dos dados Requer energia Exemplo de protocolos de replicação de dados SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation) SPIN-PP, SPIN-EC, SPIN-BC, SPIN-RL Sensores geralmente são organizados em forma de árvore Falha de nós resulta na interrupção da transmissão de uma porção Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Escalabilidade Fator crítico Devem assegurar o crescimento da rede Exposição dos sensores Medida de quão bem a rede pode observar um objeto Objetos estes que se movem em caminhos arbitrário Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Arquitetura Rede de sensores: ferramenta que mede e passa informações sobre o fenômeno para o observador A rede deve ser organizada como segue: Infra-estrutura Protocolo de rede Aplicação/observador Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Infra-estrutura São os sensores e a forma de sua utilização É influenciada por alguns fatores Quantidade de sensores Precisão de detecção, memória, bateria de cada sensor Estratégia de utilização Quantidade, localização, mobilidade Protocolo de rede Cria caminhos e realiza a comunicação entre sensores e observador Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Aplicação/Observador Interesse no fenômeno: expresso através das consultas realizadas Consultas podem ser estáticas ou dinâmicas Estáticas: sensores programados para enviar informações segundo algum padrão Os protocolos em uma rede de sensores são os responsáveis por dar todo o suporte a comunicação Entre os sensores e entre os observadores Desempenho altamente influenciado pela dinamicidade da rede Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Modelos de comunicação A comunicação em uma rede de sensores pode ser classificada em duas categorias Comunicação da aplicação e infra-estrutura da comunicação O protocolo deve suportar estes dois tipos de comunicação COMUNICAÇÃO DA APLICAÇÃO Transferir o dado monitorado ao observador Dois modelos: cooperativo e não-cooperativo INFRA-ESTRUTURA DA COMUNICAÇÃO Comunicação necessária para configurar, manter e otimizar o processo Descobrir os caminhos entre os sensores e observadores Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Modelo de envio de dados Dependem do interesse do observador Podem ser classificados em: Modelo Contínuo Comunicam dados em períodos pré-fixados Modelo de Dados Orientado a Eventos Comunicam dados somente se um evento de interesse ocorre Modelo Iniciado pelo Observador Comunicam dados em resposta a uma requisição explícita do observador Modelo Híbrido Duas ou as três estratégias co-existem na mesma rede Cenário: rede de sensores para detecção de intrusos Modelo de envio de dados orientado a eventos Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Uma rede de sensores forma um caminho entre o fenômeno e o observador Objetivo do protocolo Criar e manter este caminho Há diversas estratégias para criar e manter o caminho Redes de sensores estáticas Não há movimento entre os sensores Exemplo: grupo de sensores espalhados para monitorar temperatura Redes de sensores dinâmicas Sensores, observadores e até mesmo o fenômeno podem ser móveis Sensor se move, caminho pode falhar Observador pode ter vários caminhos para o fenômeno em cache Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Existem diferentes (e várias) estratégias dependentes do tipo de mobilidade Quando os sensores são móveis Quando o observador é móvel Quando o fenômeno é móvel Quando mais de um deles são móveis É possível implementar uma rede de sensores para o mesmo fenômeno de diferentes maneiras Observador móvel Avião sobrevoando campo para coletar informações da rede de sensores Sensores móveis Monitoração do tráfego através de sensores nos táxis Fenômeno móvel Monitoração de animais Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Existem duas categorias básicas de operação em redes de sensores: Redes pró-ativas e redes reativas Cada uma com seus protocolos de roteamento Cada uma com suas distribuições de consumo de energia entre os nós Redes pró-ativas Os dados são periodicamente comutados entre os sensores Redes reativas Os nós reagem às modificações do ambiente Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Roteamento Arquiteturas podem, em geral, ser de dois tipos Plano Hierárquica Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder

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Redes de Sensores Exemplo de dinâmica de roteamento explorando a idéia de localidade Por exemplo, um tornado com sensores no chão para monitorar Redes Avançadas – Prof. Mateus Raeder