Redes de Sensores Sem Fio Disciplina 2º.semestre/2004 Aula 7 Redes de Sensores Sem Fio Linnyer Beatrys Ruiz linnyer@dcc.ufmg.br Depto. Engenharia Elétrica UFMG

Arquitetura MANNA Linnyer Beatrys Ruiz Gerenciamento de RSSF Arquitetura MANNA Linnyer Beatrys Ruiz

Atividades e Funções de Gerenciamento Levantamento de Requisitos Planejamento Programação dos nós (config. Manual) Placement Deposição dos nós Área monitorada Tipo: Dimensões Fenômeno Definição dos Serviços Definição do número de nós Tipo de nós Organização da rede protocolos Determinista Aleatória Manual... Nodes Setup Network Bootup Operação Self-test (ex.: calibração) Self-configuration Descoberta de Localização Auto-organização Auto-configuração Negociação de Serviços Qos: sensing, processing, dissemination Self-service Self-optimization Sensoriamento Processamento Disseminação gerenciamento de energia: self-sustaining gerenciamento de área de cobertura gerenciamento de tarefas do nó Self-diagnosis Self-protection Self-healing Self-maintenance Self-Knowledge

Gerenciamento de Elemento de Rede Função de estado operacional Função de estado administrativo Função de Comunicação Meio Vizinhos EB Ao elemento de rede são acrescentadas funções de gerenciamento

Construção de uma Aplicação de Gerenciamento Serviços de Gerenciamento Serviço X Serviço Y MIB Função 1 Função 2 Função 3 Modelo # Modelo * Automáticos, semi-automáticos e manuais

Serviços de Gerenciamento (Self-management) ... Auto-organização Auto-configuração Auto-diagnóstico Auto-cura Auto-descoberta Auto-otimização Auto-serviço Auto-consciência Auto-conhecimento Auto-sustento Auto-manutenção ...

Funções de Gerenciamento ... Função de configuração de parâmetros Função de geração do mapa de topologia Função de cálculo da densidade Função de controle da densidade Função de definição da área de cobertura Automáticas, semi-automáticas e manuais

Mapa de área de cobertura Modelo ou Mapas Mapa de energia Mapa de topologia  Higher Error Variance Lower  Mapa de conectividade Mapa de custo Mapa de área de cobertura

Desenvolvendo uma Solução de Gerenciamento Aplicação que monitora a qualidade do ar utilizando 188 nós sensores (em média); Sensoriamento/disseminação contínuos; Utilizando parâmetros de nós reais; Selecionando serviços e funções de gerenciamento da lista proposta pela arquitetura. Objetivos: Avaliar o impacto da configuração sobre o desempenho da rede Avaliar o impacto do gerenciamento sobre a aplicação construída NOMS2004, WCSF2003

Cenários de Simulação RSSFs plana e hierárquica # Organiza-ção Compo- sição Localização do Ponto de Acesso (PA) Gerencia-mento 1 Plana Homo Perímetro Sim 2 Não 3 Centro 4 5 Hierarq. 6 7 8 9 Hetero 10 RSSFs plana e hierárquica Hierárquica homogênea e heterogênea Com ponto de acesso localizado no perímetro ou no centro da rede 20% de redundância Gerenciamento centralizado

Cenários de Simulação Três tipos diferentes de configuração: Número de clusters Número de nós/cluster Nós redundantes # Número de líderes Nós por grupo Nós backup Gerenciamento 10A 16 9 2 Sim 10B Não 10C 12 3 10D 10E 4 10F

Cenário Plana (A) (B) (C) Ponto de Acesso Ponto de Acesso

Cenários Hierárquicos Heterogêneos Simulados Nós Comuns Nós Backups Ponto Acesso Gerente Cluster Head Coordenada Y 16 Cluster Heads 9 nós comuns por grupo Coordenada X

Cenários Hierárquicos Heterogêneos Simulados Nós Comuns Nós Backups Ponto Acesso Gerente Cluster Head Coordenada Y 12 Cluster Heads 12 nós comuns por grupo Coordenada X

Cenários Hierárquicos Heterogêneos Simulados Nós Comuns Nós Backups Ponto Acesso Gerente Cluster Head Coordenada Y 9 Cluster Heads 16 nós comuns por grupo Coordenada X

Parâmetros de Simulação Valor Tipo dos Nós Mica-Motes Número de nós 176 em média Tamanho do Grupo nos cenários 5, 6, 7 e 8 16 grupos de 9 nós comuns Área Coberta 115mx95m Condições Ambientais Variações não são simuladas Energia Inicial Nó 1Joule Protocolo de Transporte UDP Protocolo de roteamento AODV Protocolo MAC IEEE 802.11 Largura de Banda 100kbps Distribuição dos Nós Uniforme Alcance dos nós 15m Energia consumida TX 0.036J Energia consumida RX 0.0054J Energia cosumida no processamento 0.00165J quando ativo 0.000006J quando inativo 0.00048J quando em “idle” Mobilidade dos nós Nenhuma Nós Redundantes 20% do total de nós

Agents Manager Common Node Received TRAPs Processing Aggregation Sent TRAP Received SENSOR-REPORT Self-test Discover location State Management Sent TRAPs SENSING PROCESSING DISSEMINATION Received TRAPs Topology Map Energy Map Coverage Area Map Sent SET operation At network element level, there are some functions related to -deployment -self-test -discovery location -state management The common node executes this function and send TRAPS about your location and residual energy. The agent receives these TRAPS from all common nodes and processing. It executes aggregation and send the TRAPS to manager The manager receives this information, calculates the topology map and energy map. After this, the manager executes some management services defined as a case study. The management application receives some messages and builds automatically all needed WSN models.

Mapa de Topologia e Área de Cobertura Sensing area 1 Sensing area 1 Node 3 Node 3 Node 1 Node 4 Node 2 Node 1 Node 4 Node 2 The main management services executed are: The coverage area maintenance service which can reduce system overall consumption, therefore increasing system lifetime, by turning off some redundant nodes in dense networks. This service preserves the sensing coverage with minimum sensing hole and maintain the system reliability. To execute this service, the manager executes the algorithms which identifies sensing intersection areas Node 5 Node 5 Sensing area 5

Principais Serviços de Gerenciamento Coverage area maintenance management service … The main management services executed are: The coverage area maintenance service which can reduce system overall consumption, therefore increasing system lifetime, by turning off some redundant nodes in dense networks. This service preserves the sensing coverage with minimum sensing hole and maintain the system reliability. To execute this service, the manager executes the algorithms which identifies sensing intersection areas Coverage Area Map Topology Map

Principais Serviços de Gerenciamento Quando o gerente identifica uma área descoberta ou prevê que isso vai ocorrer, ele reativa backup. When the manager identifies some uncover area, it tries to turn on a backup node. If not possible, it sends a QoS Notification to the observer. Coverage Area Map

Principais Serviços de Gerenciamento 2. Configuração dos parâmetros de operação O gerenciamento reduz a potência de transmissão do cluster-head de acordo com a distância da estação base The management application uses the topology map and adjust the transmission power (communication range) of the cluster-heads. The nearest cluster-heads from BS will have a reduce range, saving energy. The management applications uses the production map to manage the quality of service. If the manager detects a production problem, it sends a QoS Notification to the observer. Ponto de Acesso

Mapa de Produção 16 CH/9comuns Cenário 4 em T = 31 s Produzindo em A1 Não Produzindo Coordenada X

Trade off Lifetime (power) Rapidity (latency -1) Quality (coverage) We evaluate the trade off among lifetime, latency and quality considering differente organizations, different configurations in terms of the number of cluster, number of common nodes per clusters. Rapidity (latency -1) Quality (coverage)

Resultados dos Experimentos Atraso Médio Produção

Resultados dos Experimentos Mensagens Perdidas Efeito AODV

Resultados dos Experimentos Consumo de Energia 16grupos - 9nós comuns Outros experimentos para RSSFs organizadas em 12 grupos de 12 nós comuns e 9 grupos de 16 nós comuns.

Resultados dos Experimentos com RSSF Hierárquicas Heterogêneas: Atraso Médio 16 grupos/9nós 12 grupos/12nós 9 grupos/16nós

Resultados dos Experimentos com RSSF Hierárquicas Heterogêneas: Mensagens Perdidas 16 grupos/9nós 12 grupos/12nós 9 grupos/16nós

Resultados dos Experimentos com RSSF Hierárquicas Heterogêneas: Energia Consumida 16 grupos/9nós 12 grupos/12nós 9 grupos/16nós

H.HET.SG H.HET.SG H.HET.SG

PA

Arquitetura MANNA MANNA prevê dois tipos de estratégias de gerenciamento: Estratégia Centralizada Estratégia Não Centralizada RSSF Auto-gerenciada auto-configuração, auto-organização, dentre outros G A G

Serviço de Auto-organização de RSSFs Mudanças estruturais em sua organização sem intervenção humana Localizado Baseado em políticas Cooperação entre líderes para formação dos grupos Uma RSSF auto-organizada possui habilidade para realizar mudanças estruturais em sua organização sem intervenção humana Serviço de auto-organização não centralizado e baseado em políticas, desenvolvido para que líderes cooperem entre si formando os grupos da RSSF

Serviço de Manutenção da Área de Cobertura RSSF densa  identifica nós redundantes  os retira de serviço temporariamente RSSF esparsa  identifica áreas sem cobertura  tenta ativar nós redundantes X

Serviço de Manutenção da Área de Cobertura Identificação de nós redundantes: Algoritmo de Voronoi Calcula a Área de Voronoi (AV) para cada elemento ni de um dado conjunto de nós C = {n1, …,nm} O algoritmo de voronoi identifica a área de voronoi de cada nó. Esta área significa todos os pontos dentro Complexidade = n Log n

Coverage Maintenance Management Service Topology Map Generation Function Scheduling Nodes Function Density Control Function Topology MAP Voronoi Diagram Energy Map Coverage Area Map

Definição das Políticas P1: Nós com maior capacidade de hardware serão líderes 1 LÍDER 9 8 7 2 G1 G2 LÍDER 10 3 6 11 5 4

Definição das Políticas P2: Nós comuns enviam ML para líderes dentro de seu alcance 1 9 8 7 2 G1 G2 10 3 6 5 11 4 ML: coordenada X, coordenada Y, Identificador

Definição das Políticas P3: Líderes formam grupos iniciais, executam Voronoi e trocam MG entre si 1 Ativos: 1, 2, 3, 4, 6, 7 Redundantes: 5 9 8 7 2 G1 G2 10 3 6 5 11 4 Ativos: 6, 8, 9, 10, 11 Redundantes: 5, 7 MG: Lista ativos, Lista redundantes, Identificador, Coordenadas X e Y

Definição das Políticas P3: Identificação dos conflitos 1 Conflito Ativo x Redundante 9 8 7 2 G1 G2 10 3 6 Conflito Ativo x Ativo 5 11 4 Conflito Redundante x Redundante

Definição das Políticas P3: Resolução dos conflitos e envio de mensagens MN M3: Lista de nós solicitados 1 9 8 7 2 G1 G2 10 3 6 11 4 5 Perde: 7 Ganha: 5 e 6 Perde: 5 e 6 Ganha: 7

Definição das Políticas P3 e P4: envio de mensagens MP e MD 1 9 8 7 2 G1 G2 10 3 6 11 4 5

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