Roteamento em Redes de Sensores

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1 Roteamento em Redes de Sensores
Giulian Dalton Luz Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

2 Características Recursos limitados Topologia dinâmica Escalabilidade
Quantidade de energia limitada Capacidade de processamento limitada Alcance de transmissão pequeno Topologia dinâmica Mobilidade Falha de nós Sensores inativos em períodos de baixa atividade Escalabilidade Necessita de redundância – nós podem falhar Tempo de vida da rede O tempo de vida deve ser o maior possível Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

3 Protocolos de Roteamento Técnicas
Plano (Flat) Comunicação Direta Múltiplos saltos com energia mínima (Minimum-Energy Multi-Hop) Aglomeração (Clustering) Aglomeração Dinâmica Inundação (Flooding) Gradiente Roteamento Geográfico Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

4 Roteamento Plano Descoberta de vizinhos
Cria agendamento de transmissão e recepção Não necessita de nós mestres locais ou globais Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

5 Comunicação Direta Cada sensor envia dados diretamente a uma estação base Recepções ocorrem somente na base Alto consumo de energia para sensores distantes da base Melhor em alguns casos: nós perto da base Alto consumo de energia na recepção Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

6 Múltiplos saltos com energia mínima
Nós enviam dados a base através de nós intermediários Escolha da rota Escolha de nós minimiza energia de transmissão Considera somente energia do transmissor ignorando o custo da energia dos receptores para determinar rotas Dependendo do custo relativo do amplificador de transmissão e do equipamento de rádio o consumo de energia pode ser superior a transmissão direta Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

7 Múltiplos saltos com energia mínima
Consumo de energia BASE Primeiro nó a morrer Duração dos nós O protocolo mais eficiente em relação a energia dependerá da topologia da rede e dos parâmetros do rádio Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

8 Aglomeração Caracteristicas Vantagem Desvantagem
Nós são organizados em aglomerados Cada aglomerado possui uma base local A base local é responsável por transmitir os dados a uma base global Vantagem Reduz a distância de transmissão dos nós (base local próxima aos nós) Desvantagem Alto consumo de energia na base local Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

9 Aglomeração Comunicação Bases Locais BASE GLOBAL
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10 Aglomeração Dinâmica A escolha da base é aleatória
De tempos em tempos um novo nó toma lugar da base Vantagem Evita o problema da aglomeração convencional onde nós base tendem a morrer primeiro Melhora o tempo de vida de rede Desvantagem Estabelecimento da rede mais “complexo” Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

11 Inundação Um nó envia uma cópia de seus dados através da rede para cada um de seus vizinhos Quando um nó recebe algum dado ele faz uma cópia do dado o envia para todos seus vizinhos, exceto o nó do qual ele recebeu o dado Gera muita redundância, dados são enviados para todos os nós da “vizinhança” Variação: nó envia os dados para um subconjunto aleatório de nós (Gossiping) Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

12 Inundação Deficiências de protocolos de Inundação (Flooding):
Implosão Superposição A B C D (a) s q r B D C (a) (q,r) (r,s) Recursos à cega Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

13 Gradiente Envio de mensagems através da rede estabelece gradientes
Nós possuem múltiplos gradientes A resposta de mensagens/novas mensagens utilizam as rotas gradientes estabelecidas envio resposta Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

14 Roteamento Geográfico
Natureza física da instalação de uma rede de sensores torna consultas de escopo geográfico naturais Se os nós conhecem sua localização a disseminação de dados ocorre somente para regiões relevantes Reduz o overhead do controle de roteamento otimizando o processo de busca baseando-se na informação geográfica Ex.: GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing ) e GEAR (Geographic and Energy aware routing ) Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

15 Protocolos de roteamento
Roteamento Plano Difusão Direcionada (Directed Diffusion) SAR (Sequential Assignment Routing) SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation) Adaptive Local Routing Cooperative Signal Processing Noncoherent Processing Coherent Processing Sensor-MAC MULTI Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

16 Difusão Direcionada Proposto por Estrin et. al. 1999
O nó nomeia os dados usando um ou mais atributos O nó cliente requer os dados através de interesses Nós intermediários propagam os interesses Interesses estabelecem gradientes de dados para o nó que expressou interesse Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

17 Directed Diffusion Evento Fonte Dados Interesses Gradientes Nó cliente
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18 SAR Sequential Assignment Routing
Proposto por Sohrabi et al. 2000 Roteamento multi-saltos Seleção de múltiplos caminhos baseados em tabelas Evita o overhead em caso de falha Escolha do caminho baseada em: Recursos de energia QoS Prioridade do pacote Parâmetros associados a cada caminho: Métrica de QoS Estimativa de recurso de energia SAR calcula a métrica de QoS ponderada Produto da métrica de QoS e um coeficiente ponderado associado com a prioridade do pacote Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

19 SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation
Proposto por Kulik et. al. 1999 Negociação de dados Meta-data Pode ser o ID de cada sensor, ou uma regiao, etc... Controle a nível de aplicação Agregação de dados ocorre em cada nó Mensagens SPIN ADV – anuncia dados (meta-data) REQ – requer dados específicos (meta-data) Não é obrigatório o nó enviar um REQ em resposta a um ADV DATA – dados pedidos Gerenciamento de recursos Responsabilidade da aplicação A B ADV DATA REQ Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

20 SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation
D E A B C D E F ADV G D C E ADV DATA D REQ Nó sem dado Nó esperando para enviar REQ Nó com dado Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

21 SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation
Família de protocolos SPIN Ponto a ponto SPIN-PP SPIN-EC Broadcast SPIN-BC SPIN-RL Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

22 SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation
SPIN-PP Assume que a energia não é limitada Assume que pacotes não são perdidos Nó só conhece seus vizinhos diretos Estabelecimento da rede de baixo custo SPIN-EC Considera a conservação de energia Igual ao SPIN-PP quando há energia Minimiza a participação do nó no protocolo quando há pouca energia Não enviando REQs para os ADVs que receber B A ADV REQ DATA Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

23 SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation
SPIN-BC Comunicação em um único canal compartilhado Nós gastam mais energia recebendo dados “inúteis” Uma única transmissão alcança todos os nós vizinhos Cada nó só envia um REQ após esperar um tempo aleatório Nós em espera cancelam o envio do REQ quando escutarem que este já foi executado por outro nó. Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

24 SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation
SPIN-RL Reenvia um REQ se não receber um DATA em um intervalo de tempo Ápós enviar um DATA aguarda um tempo antes de atender um REQ do mesmo dado Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

25 Adaptive Local Routing Cooperative Signal Processing
Proposto por Sohrabi et al. 2000 Noncoherent Processing Os dados são pré-processados em cada nó Somente alguns parâmetros são enviados ao nó central Composto de três fases: Fase I: descoberta do alvo, coleta de dados e pré-processamento Fase II: declaração de adesão Fase III: escolha do nó central Algoritmos para a escolha do nó central: Single Winner Election (SWE) Spanning Tree (ST) Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

26 Adaptive Local Routing Cooperative Signal Processing
Coherent Processing Após um pré-processamento mínimo os dados são etiquetados com um timestamp para serem enviados ao nó central Processo de MWE (Multiple Winner Selection): Cada nó possue até n candidatos Limita o número de fontes enviando dados Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

27 SMAC – Sensor MAC Ye et al. 2002
Vários aspectos típicos de protocolos MAC afetam o consumo de energia: colisões: além do consumo adicional devido a retransmissões, aumenta a latência; escuta inútil (overhearing), de tráfego destinado a outros nós; overhead de controle, aumenta linearmente com densidade de nós, nós em falha também exigem esforço adicional de reconfiguração; escuta ociosa, de quadros que nunca chegam Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

28 SMAC – Sensor MAC Distribuído e baseado em escalonamento e reserva
Evita as quatro fontes de desperdício anteriormente mencionadas escuta e adormecimento periódico; precaução de colisões e overhearing; troca de mensagens assume que os nós estão aptos a ligar e desligar seus rádios. Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

29 MULTI Proposto por Figueiredo et al. 2004 (UFMG)
Reúne características dos protocolos: SID – Source Initiated Dissemination Disseminação iniciada na origem Usa broadcast para encontrar um caminho até o nó origem Utiliza gradiente para entrega de dados EF-Tree (Earliest-First Tree) Constrói e mantém uma árvore para disseminação de dados em toda a rede (broadcast) Ideal para cenários onde a rede varia muito Variação de tráfego (comunicação) Adapta-se entre o SID (pouca comunicação) e o EF-Tree (comunicação intensa) através de um limiar

30 Protocolos de roteamento
Roteamento Hierárquico LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarqy) ICA – Inter Cluster Routing Algorithm) TEEN (Threshold sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol) APTEEN (Adaptive TEEN) SHARP – Hybrid Adaptive Routing Protocol Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

31 LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy
Proposto por Henzeilman et. al. 2000 Coleta de dados é centralizada e feita periodicamente. Apropriado para redes proativas Nós se organizam em aglomerados Cada aglomerado possui um nó como base local (cluster-head) Cada nó decide qual será sua base local (menor custo de comunicação) Rotação aleatória de bases locais para nós com maior energia Agregação de dados local (na base local) Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

32 LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy
Cada base local cria um agendamento (TDMA) de comunicação para seus nós no aglomerado Rádio dos nós podem ficar desligados Evita colisão nas transmissões Cada aglomerado utiliza um código CMDA diferente para evitar colisões Alto consumo de energia nas bases locais Porém o número de bases locais é mínimo (5%) Bases locais são aleatórias Maior duração da rede (tempo de vida) Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

33 ICA Inter Cluster Routing Algorithm
Proposto por Habib et al. 2004 Mesmas regras de formação do LEACH No início a base envia posição geográfica aos nós (broadcast) Nós conhecem sua posição geográfica e a da base Diferenças Nós estão ligados as bases locais mais próximas geograficamente Dados não são enviados diretamente a base global Envia dados a outra base local na direção da base global

34 TEEN Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol
Proposto por Manjeshwat et al. 2001 Projetado para redes reativas Nós sentindo o meio continuamente Na troca da base local, esta difunde também dois valores limiares: Hardware Threshold (HT) limiar no qual o valor continuamente sentido deve ser transmitido Software Threshold (ST). variação mínima que justifique o valor ser transmitido após a primeira vez Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

35 TEEN Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol
Nós só transmitem dados sensoriados quando houver mudança significativa (ST) Transmissão consome bem mais energia que sensoriamento Pode utilizar de escalonamento TDMA ou de CMDA para evitar colisões Desvantagem Se HT não é alcançado, jamais o nó transmitirá Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

36 APTEEN (Adaptive TEEN)
Proposto por Manjeshwat et al. 2002 No momento da troca da base local o procedimento é similar ao TEEN, só que acrescido do seguintes parâmetros: Agendamento - atribuindo um slot TDMA para cada nó; CountTime (CT) - o tempo máximo entre duas comunicações sucessivas Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

37 SHARP Hybrid Adaptive Routing Protocol
Proposto por Ramasubramanian et al. 2003 Ponto de equilíbrio entre protocolos reativos e próativos Ajusta o grau de propagação de informações pela rede Alguns nós determinam zonas pró-ativas Nós a um certo raio deste são definidos como pertencentes a zona pró-ativa Nós fora destas zonas utilizam protocolos reativos Zonas são definidas automativamente pelo protocolo

38 SHARP Hybrid Adaptive Routing Protocol
`Zona Pró-Ativa Comunicação Pró-Ativa Comunicação Reativa

39 roteamento simples, mas não ótimo
Comparação Hierárquica Plana escalonamento baseado em reserva escalonamento baseado em contenção evita colisões não evita colisões "duty cycle" reduzido devido ao adormecimento dos nós "duty cycle" variável controlando o adormecimento dos nós agregação de dados nos clusterheads nós intermediários no caminho multi-hop agrega dados dos vizinhos roteamento simples, mas não ótimo roteamento complexo, mas ótimo Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

40 Comparação Hierárquica Plana requer sincronização local e global
enlaces formados "on-the-fly" sem sincronização overhead de formação de cluster  rotas formadas apenas nas regiões que tenha dados para transmissão dissipação uniforme de energia, mas não pode ser controlada dissipação de energia depende do tráfego alocação justa de canal justiça não é garantida baixa latência já que clusterheads estão sempre disponíveis latência ao acordar nós intermediários e em estabelecer caminhos multi-saltos Roteamento em redes de sensores - CopyLeft by Giulian Dalton Luz

41 Outros protocolos ARC – Adaptive Rate Control – 2001
T-MAC – Time-Out-MAc – 2003 B-MAC - BackOff MAC – 2002 DE-MAC – Distributed Energy Aware MAC – 2003 TRAMA – Traffic Adaptive Multiple Access – 2003 STORM/AD – Self-Organizing Topology Discovery and Maintenance/Adaptive Difusion – 2004 TynyOS Beaconing – 2004

42 Outros protocolos PROC – Proactive Routing with Coordination – 2004
Geographic Routing without Localtion Information – 2003 GEOMote - Geographic Multicast for Nw. sensors – 2004 Push Diffusion e One-Phase Pull