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1/55 R-MAC: Protocolo de Acesso ao Meio para Consumo Eficiente de Energia em Redes de Sensores Sem Fio. Guilherme Frederico Rohde Mestrando

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1 1/55 R-MAC: Protocolo de Acesso ao Meio para Consumo Eficiente de Energia em Redes de Sensores Sem Fio. Guilherme Frederico Rohde Mestrando Eduardo Augusto Bezerra Professor Orientador

2 2/55 Tópicos Introdução Conceitos Básicos Trabalhos Relacionados Proposta de Protocolo R-MAC Validação e Análise dos Resultados Conclusões

3 3/55 Introdução – Aplicações Monitoramento Ambiental; Monitoramento de estruturas em construções (Pontes, Vigas); Monitoramento de tráfego; Sistemas de vigilância e segurança; Computação Pervasiva (casas inteligentes); Máquinas e Equipamentos (Prensas).

4 4/55 Introdução – Aplicações

5 5/55 Introdução – Aplicações

6 6/55 Introdução – Estrutura da Rede

7 7/55 Arquitetura de um nodo Domínio do Sensoriamento Domínio da Alimentação Domínio do Processamento Domínio da Comunicação

8 8/55 Introdução

9 9/55 Conceitos Básicos Camada de Protocolo em RSSF MAC

10 10/55 Conceitos Básicos Técnicas de Acesso –FDMA – Frequency Division Multiple Access –TDMA – Time Division Multiple Access –CDMA – Code Division Multiple Access –CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

11 11/55 FDMA – Frequency Division Multiple Access Conceitos Básicos

12 12/55 TDMA – Time Division Multiple Access Conceitos Básicos

13 13/55 CDMA – Code Division Multiple Access Conceitos Básicos

14 14/55 CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Conceitos Básicos

15 15/55 Período Listen/Sleep Conceitos Básicos

16 16/55 Sincronização Conceitos Básicos

17 17/55 Sincronização Conceitos Básicos

18 18/55 Problema do terminal escondido Conceitos Básicos

19 19/55 Conceitos Básicos Problema da estação exposta

20 20/55 Trabalhos Relacionados ProtocoloCaracterísticasVantagemDesvantagem S-MAC [1] Ciclo de operação reduzido. Prolonga consideravelmente o tempo de vida da rede. Aumento da latência devido ao período sleep. T-MAC [2] Ciclo de operação reduzido, com incremento de um temporizado que permite encerrar o ciclo listen mais cedo. Consegue um consumo mais eficiente que o S-MAC, devido ao incremento do temporizado. É extremamente limitado com relação à largura de banda da rede. DE-MAC [3] Ciclo de operação reduzido, utiliza um algoritmo distribuído para balanceamento da carga na rede O balanceamento de carga serve para obter um tempo de vida uniforme para todos os nodos da RSSF O algoritmo de balanceamento pode comprometer no caso de uma rede dirigida a eventos. Alta taxa de mensagens de controle. ARC [4] Provê fairness adaptando a taxa de transmissão do tráfego. Provê fairness e mantém uma razoável largura de banda adaptando a taxa de transmissão. Não é eficiente para redes com um tráfego alto. TRAMA [5] Utiliza um algoritmo de eleição distribuído para evitar colisões em comunicações unicast, broadcast ou multicast, alterna acessos aleatórios e escalonados. Acomoda mudanças de topologia da rede, adição de nodos a rede e tolerância a falhas. Devido seu algoritmo de eleição há uma grande troca de informações na rede, desfavorecendo a economia de energia.

21 21/55 Proposta de Protocolo R-MAC Visão Geral –DCF Distributed Coordination Function –Interframes e Janela de contenção –Pacotes de controle com tamanho reduzido –Ciclo reduzido de operação –Limite inferior de energia de transmissão para sem conectar na RSSF. –Lista de vizinhos –Ajuste da energia de transmissão

22 22/55 Proposta de Protocolo R-MAC Máquina de estados da camada Física Registradores de configuração

23 23/55 Proposta de Protocolo R-MAC Máquina de estados da camada de Enlace

24 24/55 Proposta de Protocolo R-MAC Envio de mensagem Recebimento de mensagem

25 25/55 Proposta de Protocolo R-MAC Recebimento de mensagem

26 26/55 Funcionalidades do R-MAC –Auto-gerência Função SN Energia de Transmissão –Comunicação Interframes Space Janela de contenção Detecção de Erros –Economia de Energia Listen/Sleep Função CNO Proposta de Protocolo R-MAC

27 27/55 B SN J F ADD[B,J] B, J D ADD[J, F] F, J C ADD[B, F] B, F, D ADD[B,J,D,C] B, F, D,C ADD[F,C] F,C ADD[F,D] F,D A SN Função SN – Lista de Vizinhos

28 28/55 B F B, J C B, F, D B, F, D,C F,C J D F, J C B, F, D B, F, D,C F,D A RET RETr RET ADD[F,C,A] ADD[B] B F,C,A Função energia de transmissão Na formação da rede

29 29/55 RET – para traçar novos caminhos. Identifica sub-rede Recebe comandos da camada superior

30 30/55 A F D M K A D F K M

31 31/55 Função Controlador de nodos ouvintes - CNO

32 32/55 D A B RTS CTS C D E Frame ACK C E D FG H Função Controlador de nodos ouvintes - CNO

33 33/55 DIFS (DCF interframe space): é o tempo mínimo que serviços Contention- based devem esperar para ocupar o meio. SIFS (Short interframe Space) : é um período curto de tempo em que apenas transmissões de alta prioridade, tal como frames RTS/CTS e ACK, podem transmitir. InterFrame Spacing e Janela de contenção

34 34/55 Feita somente em mensagens unicast; Quando a estação retransmitir o pacote o contador retry é incrementado; Quando retry alcança um limite determinado o frame é descartado. –O retry é zerado quando: Um frame CTS é recebido em resposta a um RTS. Um frame broadcast ou multicast é recebido. A camada de Enlace reconhece que o pacote deve ser descartado Detecção de erros

35 35/55 Formato dos Frames PreâmbuloR-MAC headerPLCPCRC SynchSFD 8 bits Synch - identifica o início de uma mensagem SFD - sinalizam o início do delimiter

36 36/55 Formato dos Frames PreâmbuloR-MAC headerPLCPCRC PLWPSF 12 bits4 bits PSF - Taxa de recebimento do pacote. PLW - PCLP Length Word (PLW) número de Bytes a partir de Delimiter (0-4095) PSF- PCLP Signaling Field (PSF) taxa de recebimento do pacote.

37 37/55 Formato dos Frames PreâmbuloR-MAC headerPLCPCRC Frame Control Address 1 1 byte6 bytes Frame Control – informações para interpretar a seqüência do campo MAC header Address - endereços de 48 bits Frame Body – pacote de dados Address 2 6 bytes Address 3 6 bytes Address 4 6 bytes Frame Body bytes

38 38/55 Formato dos Frames Type Frame Control Address 1Address 2Address 3Address 4 Frame Body 3 bits1 bits ToFromRetryCNO 1 bits 2 bits Type – Identifica o tipo de mensagem

39 39/55 Formato dos Frames Type Frame Control Address 1Address 2Address 3Address 4 Frame Body 3 bits1 bits ToFromRetryCNO 1 bits 2 bits Destination Address (DA) Source Address (SA) Receiver Address (RA) Transmitter ddress (TA) Basic Service Set ID (BSSID)

40 40/55 Formato dos Frames Type Frame Control Address 1Address 2Address 3Address 4 Frame Body 3 bits1 bits ToFromRetryCNO 1 bits 2 bits Retry – Identifica se o pacote foi enviado pela primeira vez ou se foi retransmitido

41 41/55 Formato dos Frames Type Frame Control Address 1Address 2Address 3Address 4 Frame Body 3 bits1 bits ToFromRetryCNO 1 bits 2 bits CNO – Apresenta o contador CNO da função Contador de Nodos Ouvintes

42 42/55 Validação e Análise dos Resultados Cenário –RSSF dirigida a eventos; –Nodos com Módulo RF CC1100; –Freqüência 915MHz; –Energia de transmissão -10dBm; –Taxa de transferência 38,4KHz.

43 43/55 Validação e Análise dos Resultados Modelo de energia Consumo do módulo RF CC MHz, -10dBm. Tensão base 3V

44 44/55 Validação e Análise dos Resultados Comunicação Direta Frações que o nodo fica no estado ocioso com a taxa de 38,4Kbps:

45 45/55 A B RTS CTS Frame ACK A B Estado Ocioso Estado TX Estado RX Frações de tempo dos nodos receptor e emissor em cada estado: Validação e Análise dos Resultados Comunicação Direta

46 46/55 Tempo de transmissão do quadro completo T qc : Validação e Análise dos Resultados Comunicação Direta Valores de t Dados para diferentes tamanhos de pacotes:

47 47/55 Validação e Análise dos Resultados Comunicação Direta Fração de tempo dos nodos pelo tamanho dos pacotes:

48 48/55 Validação e Análise dos Resultados Comunicação Direta P m de consumo do nodo emissor : P m de consumo do nodo Receptor : Cálculo da potência média consumida:

49 49/55 Validação e Análise dos Resultados Comunicação Direta P m de consumo do nodo emissor : P m de consumo do nodo Receptor : Cálculo da potência média consumida com ciclo de operação reduzido:

50 50/55 Validação e Análise dos Resultados Comunicação Direta Cálculo do tempo de vida média: Cálculo do T v sem o ciclo reduzido: Cálculo do T v com o ciclo reduzido em 10%:

51 51/55 Validação e Análise dos Resultados Energia nos Nodos Ouvintes O E R O O ER E R

52 52/55 Validação e Análise dos Resultados Energia nos Nodos Ouvintes Potência média para o nodo ouvinte O ER sem CNO: Potência média para o nodo ouvinte O R sem CNO: Potência média para o nodo ouvinte O E sem CNO:

53 53/55 Validação e Análise dos Resultados Energia nos Nodos Ouvintes Potência média para o nodo ouvinte O ER com CNO: Potência média para o nodo ouvinte O R com CNO: Potência média para o nodo ouvinte O E com CNO:

54 54/55 Validação e Análise dos Resultados Energia nos Nodos Ouvintes Potência média para os nodos ouvinte durante a comunicação: Sem CNOCom CNO

55 55/55 Conclusões Aumento do tempo de operação da RSSF: –Controlador de nodos ouvintes (CNO) –Ciclo reduzido de operação Liste/Sleep Aumento do tempo de operação do Nodo na RSSF –Ajuste da energia de transmissão RET Facilidades para os protocolos das camadas superiores.

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