wireless underground sensor networks...
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Wireless UndergroundSensor Networks (WUSN)
Seminário de Computação MóvelWellington Baltazar de Souza
Mestrando Ciência da Computação
WUSN – Agenda
1. Introdução
2. Aplicações
3. Desafios a serem Resolvidos1. Design da Topologia
2. Design da Antena
4. Canal de Comunicação Subterrâneo
5. Arquitetura de Comunicação
WUSN – Introdução Redes sem fio de Sensores Subterrâneos
Utilizados para monitorar diversas condiçõessubterrâneas, tais como propriedades do solo,substâncias tóxicas, etc;
Os dispositivos devem ser autônomos (sem fios,com todos os sensores necessários, memória,processador, antena e fonte de energia);
O deployment (implantação/instalação) deve sersimples
WUSN – Introdução … A comunicação sem fio é realizada em substância
densa tais como solo ou rocha (substancialmentemais desafiante que a transmissão de dados peloar);
Preocupação com a de enconomia de enegria(dispositivos autônomos);
Os protocolos de comunicação devem passar porajustes de design para funcionar de maneira maiseficiente possível;
WUSN – Introdução …
Sensor Subterrâneo Data Logger
WUSN – Aplicações Na Agricultura são usadas para medir diversas
condições do solo tais como: Umidade (quantidade de água) e nível de nutrientes
para a quantidade exata de irrigação e fertilização(adubação);
Medir a atividade biológica para controle de pragas edoenças (usar agrotóxicos somente quandonecessário);
Em jardins (escondidos) para controle individual deplantas (um sensor por planta) para controle deumidade e fertilidade do solo;
WUSN – Aplicações … Em campos de esporte (escondidos) tais como
futebol, golf, tênis, etc, para medir o nível decompactação do solo para garantir o crescimentosaudável da grama;
No meio ambiente, para monitorar a presença desubstâncias tóxicas no subsolo tais como chumbo,mercúrio, etc;
Medir intensidade de terremotos (acoplados comsismômetros);
WUSN – Aplicações … Para monitorar a infraestuturas subterrâneas tais como
encanamentos de água e oleodutos, gasodutos, etc;
Monitorar a saúde estrutural de pontes, prédios (ospodem ser embarcados em peças chave doscomponentes estruturais);
Medir o risco de deslizamentos e desabamentos emregião de encostas de modo a permitir a sinalizaçãoe/ou evacuação da área em tempo hábil;
Medir a qualidade do solo em minas de carvão paraevitar desabamentos, bem como para monitorar aquantidade de monóxido de carbono e outros gases quepossam causar explosão das minas;
WUSN – Aplicações … Uso em conjunto com WSN para monitoramento de
erupções vulcânicas;
Em aplicações militares, para minas anti-tanque,possibilitando uma forma de auto-desarmamentoou acionamento em campos minados;
Patrulhamento de Fronteiras para evitar imigraçãoilegal;
Monitoramento de Áreas Rurais que necessitem demaior segurança;
WUSN - Desafios Desejável que permaneçam funcionais por muitos
anos. A vida útil depende da fonte de energia, poisdevem ser auto-contidos (auto-suficientes);
Requer maior potência que os sensores desuperfície, assim a conservação de energia deveser a preocupação primária de design;
Manutenção e substituição de equipamentos émais difícil que os sensores de superfície, tornandoa substituição da fonte de energia mais custosa ouimpossível;
WUSN – Desafios … Não é possível o uso de células solares como no
caso dos sensores de superfície para fornecerenergia;
Existem algumas opções de fontes alternativas deenergia, como por exemplo abalos sísmicos,variação da temperatura da terra;
Problema: normalmente não fornecem a energiasuficiente para o funcionamento dos dispositivosde maneira satisfatória;
WUSN – Desafios …
Existem pesquisas para chegar ao estado da artena geração de energia em meios não convecionais(solo, rocha);
Os autores descrevem como obter energia a partirdo sinal de rádio, conversão termoelétrica, evibração/excitação do meio;
WUSN - Desafios … A principal preocupação para garantir maior vida
útil para estes dispositivos é a fonte de eneriga;
Se o equipamento for implantado com uma cargade energia considerável, e com suporte paraaproveitar fontes alternativas de energia melhorariabastante a vida útil do equipamento
Mas, não é desejável, pois aumentaria o tamanho eos custos do equipamento;
O Design da Topologia O design da topologia da rede também é um fator
crítico, pois deve ser projetado para consumirpouca energia, levando em conta o esforço deimplantação (dificuldade de escavação,profunidade);
Topologias tridimensionais serão bastante comuns,com dispositivos implantados em diferentesprofundidades dependendo das necessidades desensores da aplicação;
O Design da Topologia … A aplicação terá um papel muito importante no
design da topologia, entretanto, a minimização douso de energia e o custo de implantação tambémdeverão ser considerados;
Para encontrar um ponto ótimo na topologia seránecessário balancear estas variáveis;
O Design da Topologia … A quantidade de sensores e profundidade de
implantação vai depender do tipo de aplicação;
Aplicações de segurança (monitoramento)necessitam de uma concentração maior desensores;
Aplicações para monitoramento das condições dosolo não necessitam de grande precisão parapequenas áreas, assim, podem ser implantadosmais dispersos;
O Design da Topologia … A economia de energia pode ser alcançada com um
design inteligente da topologia, pois a atenuaçãode sinal é proporcional à distância entre otransmissor e o receptor;
Uma topologia com maior concentração desensores irá incrementar a quantidade de saltos,mas de pequena distância, ao passo que sensoresdispersos necessitarão realizar grandes saltos;
O Design da Topologia … O custo de implantação dos sensores subterrâneos
são muito acima dos sensores de superfície, poisenvolvem escavações;
Além disso, envolve um custo adicional quandoacaba a fonte de energia, envolvendo troca debaterias ou do dispositivo (sensor);
O fator custo de implantação indica que devemosminimizar a quantidade e profundidade deimplantação. No entanto devemos estabelecer umtrade-off com a estratégia de aumentar adensidade de sensores para economia de energia;
.
O Design da Topologia … Com as considerações já vistas em mente,
podemos sugerir duas topologias para WUSN;
Topologia Subterrânea
O Design da Topologia …
Topologia Híbrida
O Design da Topologia … A topologia híbrida é um mix de sensores
subterrâneos, repetidores (opcional) e surface sinkfixo ou móvel.
Os sinais podem ser propagados pelo ar,diminuindo as perdas através do solo, pois diminuia quantidade de hops necessários na redesubterrânea;
Ocorre menor desperdício de energia paratransmissão de dados comparando com topologiasubterrânea;
O Design da Antena Requisitos Variáveis: Dependendo do tipo do
dispositivo a comunicação pode variar depropósito. Nesse sentido, requer antenas comdiferentes características.
Dispositivos mais próximos à superfície irão agircomo transmissores dos dispositivos maisprofundos para a superfície;
Os sensores implantados com maioresprofundidades precisam agir como repetidorestanto na direção vertical como na horizontal;
O Design da Antena O tamanho da antena pode variar dependendo da
frequência em MHz. Baixas frequências necessitamde uma antena maior para transmitir os dados demaneira eficiente.
Ex: 100 MHz necessita de uma antena de 0,75m(quarter-wavelength)
Claramente este é um desafio para as Redes semfio subterrâneas se precisarmos manter osdispositivos pequenos;
O Design da Antena Orientação da Direção: Futuras pesquisas deverão
se identificar se é mais adequado utilizar umaantena multi-direcional ou um grupo de antenasdirecionais independentes para dispositivos WUSN.
A comunicação com uma única antena multi-direcional provavelmente será um desafio, pois osdispositivos poderão ser implantados em diferentesprofundidades e a experiência ainda é nula decomo será a radiação em cada extremidade;
Isto implica que com uma orientação vertical osdispositivos devem ser emparelhados (vertical ehorizontalmente);
Ambiente Hostil O ambiente subterrâneo está longe de ser um local
ideal para dispositivos eltrônicos: Água,temperaturas extremas, animais, insetos eescavações;
Os dispositivos devem resistir a todos estesfatores, além disso devem ser pequenos;
A tecnologia para fornecimento de energia deve serescolhida cuidadosamente levando em conta asvariações de temperatura no ambiente daimplantação e balanceando tudo isso com otamanho ideal (pequeno se possível);
O Canal deComunicação Subterrâneo
O canal de comunicação é um dos fatores quetornam o uso de Rede sem fio Subterrâneas umdesafio;
Emobra a comunicação digital subterrânea pareçaser inexplorada, a propagação de ondas EM no soloe rocha tem sido estudada extensivamente porradares longo alcance;
Nesta sessão teremos um overview descrevendo aspropiedados do canal eletromagnético subterrâneo,os efeitos das propriedades do solo sobre estecanal;
Propriedades docanal Subterrâneo
Embora haja estudos da propagação de ondaseletromagnética, um modelo compreensivo decanal subterrâneo ainda não existe;
Foram identificados 5 principais fatores que podemtrazer impactos nas ondas EM da comunicaçãosubterranea: Grande perda de sinal (composiçao do solo)
Reflexão e Refração (divisa entre solo e ar)
Multi-Path fading (dispersão >> próximo superfície)
Velocidade de Propagação reduzida (comparando ar)
Ruído (linha elétrica, luz, motores elétricos, etc);
Propriedades docanal Subterrâneo
A composição do solo incluindo água, tamanho daspartículas, densidade temperatura, tudo combinapara formar uma constante dielétrica X;
Este parâmetro afeta direatamente a atenuação dequalquer sinal eletromagnético passando pelo solo;
A água no solo é de longe o parâmetro maissignificante a ser considerado quando se fala emperda de sinal através do solo
Propriedades docanal Subterrâneo
Os solos são classificados pelo diâmetro daspartículas. Solos arenosos produzem menoresperdas que os argilosos;
Solos densos também autmentam as perdas poratenuação.
Aumentando a temperatura do solo também farácom que ocorra maior perda de sinal;
Propriedades docanal Subterrâneo
Alternativas de tecnologiaspara a camada física
Uma possível alternativa às ondas EM paracomunicação subterrânea é a Indução Magnética(IM), podendo trazer diversos beneficios:
Mídias densas como por exemplo o solo e a águacausam pouca variação na taxa de atenuação decampos magnéticos (contrário do que ocorre no ar)
Detectores de presença podem acionar qualquerreceptor ativo via carga induzida de uma bobina;
IM resolve o problema de design da antena, pois atransmissão e recepção podem ser feitos por umabobina;
Alternativas de tecnologiaspara a camada física
Outra alternativa para as ondas EM são as ondassísmicas. A comunicação via ondas sísmicas foidemonstrada com sucesso tanto em solo como emrocha em distâncias de ~ 1 Km;
Problemas: Frequências de ondas sísmicas podemafetar o ar, e gerar ondas sísmicas gasta muitaenergia;
Arquitetura deComunicação
Arquitetura deComunicação
A camada física de comunicação representa umdesafio importante para WUSNs, pois propagarondas através do solo causa muitas perdas,principalmente em solos contendo água;
Outro desafio importante é o uso de uma antenaeficiente, que consiga receber e transmitir dadosem um meio como o solo;
Indução Magnética e Ondas Sísmicas podemajudar a criar uma camada física combinando como que já existe;
Falta mais pesquisas …
Arquitetura deComunicação
Os protocolos MAC existentes para a Camada DataLink são inadequados, estes protocolos foramprojetados para uso em redes sem fio terrestres.
Para melhorar a vida útil dos dispositivos, onúmero de transmissões deve ser minimizado;
Colisões causam retransmissões, assim o uso deum protocolo RTS/CTS introduz um overheadmuito alto;
O esquema baseado em TDMA para eliminar ascolisões criam um timeslot, mas também tem umoverhead alto para as WUSN;
Arquitetura deComunicação
Os sensores irão notificar dados com poucafrequência, assim podem operar com baixoconsumo de energia, mas grandes períodos detempo de inatividade pode prejudicar osincronismo da rede;
Por natureza estes dispositivos possuem restriçõescom o consumo de energia, no entanto ocorremaltas taxas de erros na transmissão de dados;
No entanto, a retrasmissão de pacotes podeintroduzir overhead com os acknowledgements.
>> é preciso mais pesquisas …
Arquitetura deComunicação
Os protocolos de Redes Ad-hoc geralmente sedividem em três categorias: Proativas (overhead de sinais para manter rotas)
Reativas (overhead de sinais para manter rotas)
Geográficas (mais apropriada para WUSN,coordenadas já são conhecidas)
Em uma rede híbrida, o consumo de energia podeser melhor aproveitado;
Pesquisar >> maximizar a economia de enrgia …
Arquitetura deComunicação
Na Camada de transporte, com as altas taxas deperda o canal é necessário re-examina-la;
O objetivo principal é salvar os recursos escassos dosensor e melhorar a eficiência da rede;
Um bom protocolo de transporte deverá ser capaz deidentificar corretamente eventos do sensor na rede;
Controle de congestionamento, controle de fluxo,tudo isso com recursos de memória limitados paratransmissão de dados;
A maioria das implementações de TCP sãoinadequados para as WUSN, pois o controle de fluxoé baseado em um mecanismo de janela;
Arquitetura deComunicação
Não utilizando um mecanismo baseado em janelas,mas ainda ter um controle de mensagens quepode se adaptar a taxa de transmissao;
Pesquisas em aberto para encontrar alternativaspara a camada de transporte;
Por enquanto é só!!!