Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks (LEACH) Wendi Heinzelman, Anantha Chandraskasan e Hari Balakrishnan Massachucets Institute of Technology Apresentado por: Sávio Cavalcanti

Sumário Objetivo Introdução Modelo do Rádio Análise de protocolos LEACH Conclusão Comentários

Objetivo do Artigo Protocolo de Comunicação  Redes de Sensores; Micro-sensores.  Analisar protocolos existentes Eficiente em energia;  Impacto dissipação de energia; e  Tempo de vida do sistema.  Propor protocolo adequado

Introdução Tecnologia baseada MEMS:  Micro-sensores: Mais baratos; Maior quantidade:  Qualidade de sensoriamento; e  Tolerância à falhas.  Necessidades: Projetos de Protocolos;  Melhor consumo de energia; e  Melhor utilização da banda passante.

Modelo de Rádio Transmissão de uma mensagem com k bits a uma distância d: E Tx (k,d) = E Tx-elec (k) + E Tx-amp (k,d) = E elec * k + Є amp * k * d 2 Recepção desta mesma mensagem: E Rx (k) = E Rx-elec (k) = E elec * k E Tx-elec = Energia dissipada/bit no Transmissor E Rx-elec = Energia dissipada/bit no Receptor Є amp = Energia dissipada/bit para amplificar

Pressuposições Estação base é fixa e está longe dos nós; Os nós são limitados em energia e homogêneos; Todos os nós conseguem se comunicar com a estação base em um salto; e Nós podem se comunicar entre si e com a estação base.

Análise de protocolos Comunicação direta com a base  Sensor manda diretamente para a base;  Base distante: Grande perda de energia para transmitir; Morte rápida; e Tempo de vida do sistema curto.  Base próxima: Apenas uma recepção; e Boa solução (possivelmente ótima)

Análise de protocolos (2) Comunicação Múltiplos Saltos  “Minimum Energy” routing protocol (MTE);  Comunicação com a base através de nós intermediários; Roteadores; e n recepções e n transmissões.  Pode ser mais oneroso que comunicação direta.

Análise de protocolos (3) Supondo esta rede linear; a energia gasta para transmitir uma mensagem de k bits a uma distância de nr da estação base é de: Comunicação direta: E Direta = E Tx (k,d = (n * r)) = = k ( E elec + Є amp n 2 r 2 ) MTE: E MTE = n * E Tx (k,d = r) + (n-1) * E Rx-elec (k) = = k ((2n-1) E elec + Є amp nr 2 ) E direta < E MTE Desta forma, a comunicação direta gasta menos energia se: E elec +* Є amp n 2 r 2 < (2n-1) E elec + Є amp nr 2 E elec Є amp 2 > r 2 n

Resultado da simulação 100 nós; Pacotes de 2000 bits; Nó considerado morto: quantidade de energia ultrapassou um determinado limite mínimo MTE Nós começam a morrer mais cedo Direta Tempo de vida do sistema é menor

Resultado da Simulação Comunicação Direta MTE Após 180 rodadas; 100 nós; Mensagens com 2000 bits; e Nós vivos = círculos e Nós Mortos = pontos. Morte dos nós mais distantes da Base Morte dos nós mais próximos da Base

Análise de protocolos (3) Ambos possuem vantagens e desvantagens; Protocolo mais eficiente:  Depende da arquitetura de rede; e  Dos parâmetros de rádio do sistema.

Análise de protocolos (4) Protocolo de grupo (clustering) como solução;  Nós organizados em grupos: Um líder por grupo (estação base local); Nós do grupo conversam apenas com o líder; e Somente o líder do grupo conversa com estação base. Reduz consideravelmente o gasto de energia; e Problema: Nó líder é fixo.

LEACH – Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Protocolo de grupo (clustering protocol):  Auto-Organizável;  Trabalha com “rodadas”;  Distribui o consumo de energia aleatoriamente. Mestre do grupo não é fixo:  Eleição;  Nós se comunicam com o mestre do grupo (cluster head);  Nó mestre do grupo se comunica com a base fixa. Nós organizam os grupos:  Grupos dinâmicos.

LEACH (2) Tempo t 1  C nós se elegem Mestre de Grupo. Tempo t 1 + d  Novo grupo C’ de nós se elegem Mestre de Grupo.

LEACH (3) Número ótimo de mestres de grupo  Varia de acordo com topologia;  Custo de computação x comunicação; e  Percentual da quantidade de nós da rede. 5% dos nós

LEACH - Detalhamento Quatro fases:  Anúncio;  Criação do grupo;  Criação do escalonamento; e  Transmissão dos dados. Fase Transiente Fase Estacionária

LEACH – Detalhamento (2) Anúncio  Eleição do Mestre (Cluster Head);  Decisão de cada nó; Escolhe um número aleatório (x) entre 0 e 1; Se x Nó Mestre do Grupo. T(n) = P 1 – P * (r mod 1/P), se n Є G 0, caso contrário Percentual desejado de Mestres de Grupo Rodada corrente Grupo de Nós que não foram Mestre de Grupo nas 1/P rodadas.

LEACH – Detalhamento (3) Anúncio  Cada nó eleito Mestre de Grupo: Envia esta informação a todos os nós não eleitos  Nó não eleito: Mantém seus receptores ligados; Ao receber o anúncio dos líderes definem qual grupo vão participar; Potência do sinal recebido. Término da fase.

LEACH – Detalhamento (4) Fase de Criação do Grupo:  Cada nó não eleito Mestre de Grupo: Envia informação a Mestre de Grupo escohido sobre sua participação no seu grupo. Fase de Criação do Escalonamento:  Mestre do Grupo: Recebe informação dos participantes do seu grupo; e Cria escalonamento de comunicação entre os participantes - TDMA.

LEACH – Detalhamento (5) Fase de Transmissão dos Dados:  Nós mestres recebem os dados de todos os participantes do grupo; Comprimem os dados; e Encaminham à Estação Base. Grupos Hierárquicos.

Simulação - Resultados Matlab Total de Mestre de Grupo = 5% do total de nós Total de energia dissipadaTempo de vida do sistema

Conclusão Mais eficiente em consumo de energia global; Totalmente distribuído;  Sem necessidade de um controle centralizado. Redução do consumo:  Entre 7x e 8x se comparado com Comunicação Direta.  Entre 4x e 8x se comparado com MTE. Mais que o dobro do tempo de vida do sistema  Comparado com outros protocolos

Comentários Necessidade de sincronismo entre os nós; Número maior do valor ótimo de nós eleitos; e Segurança  Buraco Negro Seleção de líder malicioso; Modelos de confiança.  Invasão de sensores maliciosos Contagem de nós; Fase de Iniciação do grupo.  Sybil Métodos de autenticação.  Etc.

Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks (LEACH) Dúvidas