Tagus-SensorNet Opportunistic Island

1 - Objectivo

Desenvolver um projecto para WSN constituído por ilhas isoladas que utilize transporte oportunista através da utilização de dispositivos que passem junto de uma ilha WSN e utilizem o padrão 802.15.4. Através desta comunicação oportunista será possível transportar e processar (store, carry, processing and forward) a informação de uma rede de sensores até outra rede.

2 - Descrição

Neste projecto pretende-se criar duas redes de sensores isoladas cuja comunicação acontece de forma oportunista, ou seja, aproveitando a passagem de um dispositivo móvel que transporta os dados de uma rede de sensores para a outra.

Requisitos:

Leitura de valores de tensão da bateria pelos sensores.
Os dados recolhidos pela rede de sensores são processados antes de serem transferidos para o Carrier.
Transporte eficiente dos dados através de comunicação com dispositivos que utilizem a norma 802.15.4.
Utilização eficiente dos recursos energéticos nas ilhas WSN.

Esquema geral da rede

Figura 2.1 - Esquema geral da rede utilizada no projecto

Figura 2.2 - Esquemas de camadas utilizadas no projecto

Descrição das diversas camadas:

Camada 1 (Sensores) - Conjunto de sensores com capacidade de recolher informação.
Camada 2 (Local Sink) - Sensor utilizado para agregação dos dados da ilha WSN.
Camada 3 (Carrier) - Ponto de recepção da informação agregada das ilhas WSN que transporta os dados de uma rede de sensores para a outra.

3 - Abordagens

COMUNICAÇÃO DOS SENSORES PARA O CARRIER

Nesta sub-secção pretende-se escolher qual a abordagem, em termos de comunicação entre os nós de uma Ilha WSN e o Carrier, que melhor favorece a ideia de comunicação oportunística. Na situação em consideração, comum a ambas as abordagens em discussão, existe uma ilha WSN isolada (isto é, sem conectividade para outras redes WSN). Os nós constituintes da rede escutam o meio em busca de um Carrier. É a partir do momento em que os nós detectam a presença de um Carrier que as abordagens divergem:

Carrier e Proxy Node:

Nesta situação os sensores estão a fazer medições e à escuta por Carriers que passem na sua zona de detecção. Quando isto acontece, o nó que primeiro detectou o Carrier será denominado o Proxy Node. Este nó trata de processar os dados e criar uma árvore pela rede de forma a entregar os dados processados de todos os nós para o Carrier (Figura 3.1).

Figura 3.1 - Exemplo de uma abordagem através de um Proxy Node

Descrição do Processo:

Carrier aproxima-se da zona de detecção de um nó.
Nó passa a ser Proxy Node, ie, esse nó passa a ser o responsável por transmitir os dados da WSN para o Carrier.
Forma-se uma multicast tree ao longo da WSN (tendo o Proxy Node como raiz). Neste caso os outros nós não podem formar uma multicast tree durante um determinado periodo de tempo.
Os nós enviam os dados recolhidos e, caso detectem a presença do carrier a indicação desse facto (com o timestamp associado).
Proxy Node recolhe os dados da WSN e processa-os (por exemplo, média de valores de temperatura detectados pelos sensores).
Proxy Node envia os dados agregados para o Carrier.

Em caso do Carrier se ter afastado do Proxy Node antes de receber os dados acontece uma de dois hipóteses:

Estabelece-se uma ligação entre o antigo Proxy Node e um novo Proxy Node (que entretanto detectou a presença do Carrier) e os dados são encaminhados através do antigo Proxy node para o novo e de seguida enviados para o Carrier
Estabelece-se uma nova multicast tree a partir de um novo nó que detectou o Carrier.

Carrier e um (ou mais) Sink(s) locais:

Nesta situação os sensores enviam as suas medições nem certo intervalo de tempo. O Local Sink irá processar e agregar os dados de forma a enviá-los quando um Carrier for detectado por um nó da rede. O Local Sink irá enviar os dados através do nó que detectou a presença do Carrier

Figura 3.2 - Exemplo de uma abordagem através de um Local Sink

Descrição do processo:

Carrier aproxima-se da zona de detecção de um nó.
Existem na rede um Local Sink, que contém os dados agregados da rede WSN e que enviou a sua localização a todos os nós no inicio.
Quando um nó detecta a presença do Carrier, esse nó pede ao Local Sink os dados agregados.
Nó encaminha os dados do Local Sink para o Carrier.

Caso o nó que detectou o Mobile Sink perca o contacto irá disseminar uma mensagem para que todos os nós voltem a ficar à escuta, voltando assim ao estado inicial, permitindo criar uma ligação com outro nó logo se seguida ou noutra altura.

	Vantagens	Desvantagens
Proxy Node	- Melhor utilização dos recursos energéticos.Todos os nós recolhem os seus dados sem comunicarem com outros nós. Apenas quando se desse a detecção do Carrier é que os dados seriam transportados ao longo da rede e processados no proxy node, para posterior envio para o Carrier	-Complexidade Criação da árvore de rede demasiado complexa e com geração de um grande volume de tráfego na rede de forma a criar a árvore. -Escalabilidade. O tempo de criação da árvore aumenta com o número de nós envolvidos correndo o risco de quando a árvore estiver estabelecida, o Carrier poderia ter abandonando a zona de detecção da rede.
Local Sink	-Menor tempo de Transmissão.Os dados são recolhidos e pré-processados periodicamente independentemente do facto do Carrier se encontrar presente ou não na WSN. Em comparação com a abordagem Proxy Node, permite reduzir o tempo necessário à transmissão dos dados para um Carrier.	-Tráfego. Se houver medições periódicas com um período reduzido gera-se muito trafego na rede e gastam-se os recursos mais rapidamente.

Sink e Carrier – Um único elemento por ilha

Esta terceira abordagem foi pensada e desenvolvida na segunda e última fase do projecto. Enquanto as duas primeiras abordagens procuram, de formas diferentes, garantir a comunicação oportunista, esta última abordagem procura garantir para além disso uma utilização mais eficiente dos recursos energéticos.

Aquando do deployment, onde foi utilizada a abordagem Local Sink, chegou-se à conclusão que não é energeticamente eficiente ter vários nós a procurarem o Carrier. Idealmente, apenas um nó de cada ilha estaria à escuta do meio à espera da passagem de um Carrier.

Nesse sentido, utilizou-se então uma terceira abordagem, cujo objectivo passa por assegurar a transmissão de dados actualizados das ilhas WSN para o Carrier, ao mesmo tempo que procura fazê-lo de forma mais eficiente, garantindo uma maior longevidade das ilhas.

Ao contrário das duas abordagens anteriores, neste esquema não existe o papel de "Proxy Node" ou nó “Gateway” intermediário. A rede contém apenas um único nó ligado permanentemente - o nó Sink -, de forma a assegurar a detecção e negociação com o Carrier. Desta forma é garantido que existe sempre uma possibilidade de detectar o Carrier, que pode passar a qualquer instante.

Como referido, apenas um nó está ligado em cada ilha. Esse nó é o Sink, com capacidade de recolher dados de outros nós e comunicar directamente com o Carrier. Os restantes nós deverão acordar periodicamente, efectuar uma medição (por exemplo, o valor da sua bateria) e transmiti-lo para o Sink. Aguardam depois por uma resposta por parte do Sink antes de adormecerem.

Quando recebe dados de outros nós, o Sink, com base numa série de parâmetros - o seu nível de bateria, o nível de bateria dos outros nós, etc. - decide se deve continuar a ser Sink ou passar a responsabilidade ao nó de quem recebeu os dados. Se decidir que outro nó deve ser o Sink, notificará o nó escolhido, enviando também os dados da ilha que recolheu até ao momento, já processados. Caso contrário, enviará apenas uma confirmação de dados recebidos.

Existe também a possibilidade de um nó ter um identificador especial ou um nível de bateria muito superior que lhe permite ser Sink, independentemente do nível de tensão na bateria das partes envolvidas. Esta situação é útil para efeitos de debug, por exemplo.

Um nó deve-se manter Sink até atingir um determinado valor de bateria – Valor Mínimo de Bateria -, próximo de um nível crítico. A partir do momento em que atinge esse valor, deve passar o papel de Sink a outro nó com um nível de bateria mais elevado que o seu. O Sink passará então a ser apenas um nó, acordando periodicamente para passar as suas medições ao novo Sink. Desta forma, a rede tende a prolongar a sua longevidade a um factor próximo de N, sendo N o número de elementos da rede.

Um nó cujo valor esteja abaixo deste valor mínimo de bateria não poderá ser eleito Sink. Caso um Sink ultrapasse esse limiar e não encontrar (em tempo de vida útil) nenhum outro nó em condições de assumir o seu papel, então será ele o Sink até à exaustão dos seus recursos energéticos. Quando morrer, existindo ainda nós a fazer medições, o primeiro destes nós a tentar enviar para o Sink e falhar a entrega de um determinado número de pacotes eleger-se-á como Sink da ilha.

Comparando com as abordagens anteriores, é fácil concluir que a longevidade da rede é muito superior, na medida em que apenas um nó (em vez de todos os nós) está permanentemente ligado. Teoricamente, uma rede com 5 elementos durará cerca de 5 vezes mais com esta abordagem do que com uma das anteriores. Para que isto aconteça o valor mínimo de bateria tem de ser ajustado de acordo com o intervalo de tempo entre cada medição dos nós. Esta relação irá permitir que a ilha obtenha o máximo de rendimento dos seus recursos energéticos sendo que no final todos os nós irão ficar sem energia aproximadamente na mesma altura.

Em relação às abordagens anteriores, pode-se efectuar para esta abordagem, a seguinte lista:

Desvantagens:

Menor capacidade geográfica de detecção de Carriers

Vantagens:

Maior longevidade
Maior eficiência energética
Menor comunicação entre Carrier e Ilhas
A arquitectura proposta procura então manter as vantagens das propostas anteriores (garantir a conectividade entre ilhas WSN isoladas) ao mesmo tempo que procura fazê-lo de uma forma energeticamente mais eficiente.

Atenção: A instalação realizada no IST-Taguspark foi realizada com esta última abordagem (Sink e Carrier – Um único elemento por ilha) sendo que os detalhes de implementação podem ser consultados no relatório do projecto.

People

Davide Figo | davide.figo < a t > ist.utl.pt
Gonçalo Teixeira | goncalo.teixeira< a t > tagus.ist.utl.pt