Roteamento em Redes de Sensores

1. Roteamento emRedes de Sensores Giulian Dalton Luz gdaltonl@ime.usp.br

2. Características • Recursos limitados • 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

3. Protocolos de RoteamentoTécnicas • Plano (Flat) • Comunicação Direta • Múltiplos saltos com energia mínima(Minimum-Energy Multi-Hop) • Aglomeração (Clustering) • Aglomeração Dinâmica • Inundação (Flooding) • Gradiente • Roteamento Geográfico

4. Roteamento Plano • Descoberta de vizinhos • Cria agendamento de transmissão e recepção • Não necessita de nós mestres locais ou globais

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

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

7. Múltiplos saltos com energia mínima • O protocolo mais eficiente em relação a energia dependerá da topologia da rede e dos parâmetros do rádio Consumo de energia BASE Primeiro nó a morrer Duração dos nós

8. Aglomeração • Caracteristicas • 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

9. Aglomeração Comunicação BASE GLOBAL Bases Locais

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”

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)

12. A (a) (a) C C B B (a) (a) q s D D (q,r) (r,s) Inundação • Deficiências de protocolos de Inundação (Flooding): • Superposição • Implosão r • Recursos à cega

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

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 - 2000) e GEAR (Geographic and Energy aware routing - 2001)

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

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

17. Evento Fonte Dados Interesses Gradientes Nó cliente Directed Diffusion

18. SARSequential 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

19. ADV A B REQ A B DATA A B SPINSensor 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

20. B E DATA ADV ADV A C G REQ D D F ADV D E E C ADV D SPINSensor Protocols for Information via Negotiation Nó sem dado Nó esperando para enviar REQ Nó com dado

21. SPINSensor Protocols for Information via Negotiation • Família de protocolos SPIN • Ponto a ponto • SPIN-PP • SPIN-EC • Broadcast • SPIN-BC • SPIN-RL

22. DATA DATA DATA DATA DATA A ADV ADV ADV ADV ADV REQ REQ REQ REQ B REQ ADV SPINSensor 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

23. SPINSensor 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.

24. SPINSensor 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

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)

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

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

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.

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

31. LEACHLow-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)

32. LEACHLow-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)

33. ICAInter 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. TEENThreshold sensitive EnergyEfficient 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

35. TEENThreshold sensitive EnergyEfficient 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

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

37. SHARPHybrid 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. SHARPHybrid Adaptive Routing Protocol `Zona Pró-Ativa Comunicação Pró-Ativa Comunicação Reativa

39. Comparação

40. Comparação

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 - 2003