Proiect tehnici de Rutare în Reţelele de Senzori Wireless

1.1 Cerinţele de proiectare

Cercetările iniţiale în domeniul reţelelor de senzori fără fir au fost motivate, în principal de aplicaţii militare. Mai recent au fost identificate aplicaţii civile numeroase care pot beneficia de acestea: monitorizarea mediului înconjurător, agricultura, producţia şi livrarea, sănătatea. Reţelele pot fi construite şi din noduri eterogene şi mobile; topologia poate fi la fel de simplă, asemeni topologiei stea; reţelele pot folosi infrastrcturi de comunicaţie deja existente. Pentru a descoperi această direcţie generală către diversitate discutăm în secţiunile care urmează dimensiunile importante ale spaţiului de proiectare a reţelelor de senzori fără fir. Caracterizăm pe scurt fiecare dimensiune şi încercăm să identificăm anumite proprietăţi, în scopul realizării unei clasificări pe clase de aplicaţii.

Rămâne totuşi de discutat ce proprietăţi sunt semnificative pentru a putea fi categorisite explicit ca fiind dimensiuni în spaţiul de proiectare. Evoluţiile viitoare vor schimba într-o măsură mai mică sau mai mare lista de mai jos. Am încercat ca aceste sugestii inţiale să consiste dintr-un set considerabil de dimensiuni, bazând alegerile pe două principii: ar trebui să existe diferenţe notabile între aplicaţii şi o dimensiune ar trebui să aibă un impact semnificativ asupra proiectării şi implementării soluţiilor tehnice.

Amplasarea reţelei: amplasarea nodurilor senzor în spaţiul fizic al mediului înconjurător poate lua câteva forme. Nodurile pot fi amplasate aleator (de ex. paraşutate din avion) sau instalate deliberat în anumite puncte. Desfăşurarea poate avea loc într-o singură fază iniţială, sau poate fi un proces continuu, noduri senzor fiind amplasate pe toată durata de funcţionare a reţelei (pentru înlocuirea senzorilor defecţi sau pentru îmbunătăţirea rezoluţiei).

Tipul de amplasare afectează de fapt proprietăţi importante, cum ar fi densitatea de noduri de reţea, localizarea acestora, dinamica reţelei etc.

Ca o mică concluzie, putem nota câteva clase care derivă din cele prezentate mai sus: aleator vs. manual, singular vs. iterativ.

Mobilitatea: nodurile senzor îşi pot schimba poziţia după desfăşurarea iniţială. Mobilitatea poate fi rezultatul influenţelor mediului înconjurător, cum ar fi vântul şi apa. Nodurile pot fi amplasate pe entităţi mobile şi chiar pot avea capacitatea de a se autodeplasa. Poate fi deci un efect accidental sau intenţionat (activ - autodeplasarea sau pasiv – plasarea pe obiecte în mişcare). Mobilitatea se poate aplica tuturor nodurilor sau unor subseturi din reţea. Gradul de mobilitate poate varia de la o mişcare ocazională cu perioade lungi de imobilitate, la o mişcare periodică sau constantă.

Mobilitatea are un puternic impact asupra gradului aşteptat al dinamicii reţelei, şi deci proiectarea protocoalelelor şi algoritmilor de repartizare.viteza efectivă a mişcării are impact asupra intervalului de timp în care nodurile sunt la o distanţă la care comunicaţia e fiabilă.

Clasele pe care le putem extrage de mai susar fi: imobil vs. parţial mobil vs. mobil; ocazional vs. continuu; activ vs. pasiv.

Cost, dimensiune, resurse şi energie: în funcţie de cerinţele particulare ale aplicaţiei, forma şi dimensiunea poate varia foarte mult, de la dimensiunile relative ale unei cutii de pantofi (pentru aplicaţii meteo) până la senzori MEMS, microscopici, pentru aplicaţii militare. Similar, costul unui nod poate varia de la câteva sute/mii de euro, pentru reţele cu număr redus de noduri extrem de capabile, până la câţiva cenţi pentru reţele cu noduri foarte simple.

Nodurile senzor sunt dispozitive autonome, iar energia disponibilă alături de alte resurse sunt limitate de dimensiuni şi costuri. Dimensiunea variabilă şi constrângerile legate de costuri rezultă direct din limitele între care variază energia disponbilă (de exemplu, dimensiunea, costul şi densitatea energetică a bateriilor sau a dispozitivelor de captare a energiei din exterior), resursele computaţionale, de stocare şi de comunicaţie. Prin urmare, energia şi alte resurse disponibile unui nod senzorpot varia de la un sistem la altul. Resursele energetice pot fi stocate (de exemplu în baterii), ori pot fi captate din mediul înconjurător.

Aceste constrângeri în ceea ce priveşte resursele disponibile limitează complexitatea software-ului dezvoltat pentru nodurile de senzori. Pentru clasificarea noastră, am partiţionat, în mare, nodurile senzor în patru clase în funcţie de dimensiunea lor fizică: "brick" (cărămidă), "matchbox" (cutie de chibrituri), "grain" (bob de grâu), "dust" (fir de nisip).

Eterogenitatea: viziunile timpurii asupra reţelelor de senzori au anticipat că acestea se vor constitui, în general, din dispozitive omogene, identice în mare măsură din punct de vedere hardware şi software. Unele proiecte chiar au admis că diferenţele dintre nodurile senzor sunt absolut imperceptibile, adică ele nu aveau nici măcar adrese unice sau ID-uri în implementarea lor hardware. Acest punct de vedere se baza pe observaţia conform căreia nu se pot produce vaste cantităţi de noduri senzor la costuri mici în altă situaţie decât cea precizată mai sus.

Cu toate acestea, în multe din sistemele prototip disponibile în zilele noastre, reţelele de senzori se constituie dintr-o mare varietate de dispozitive. Nodurile pot să difere în ceea ce priveşte tipul şi numărul senzorilor ataşaţi; unele dintre ele pot avea o putere computaţională mai mare şi astfel pot colecta, procesa şi ruta date de la mai multe alte noduri cu capabilităţi mai limitate; unele noduri senzor pot fi echipate cu dispozitive hardware speciale, cum ar fi sistemele de poziţionare globală (GPS - Global Positioning System) care se comportă ca nişte balize de localizare pentru alte noduri, deducând, astfel, poziţiile acestora; alte noduri se pot comporta asemeni unor pasaje de trecere pentru reţelele de comunicaţii cu raza mare de acţiune (de exemplu, reţelele GSM, reţelele satelitare sau internetul).

Gradul de eterogenitate al unei reţele de senzori este un factor important din moment ce afectează complexitatea software-ului realizat pentru nodurile de senzori şi managementul întregului sistem.

Rezultă, astfel, două clase: omogen vs. eterogen.

Modalităţi de comunicaţie: pentru comunicaţia fără fir între nodurile senzor se pot folosi câteva tehnici care au la bază undele radio, lumina difuză, undele laser, cuplajele inductive sau capacitive şi chiar sunetul.

Poate cea mai comună modalitate pentru o astfel de comunicaţie o reprezintă undele radio, din moment ce acestea nu necesită un câmp de vizibilitate directă, şi comunicaţiile de raze peste medie pot fi implementate cu un consum de putere redus şi cu ajutorul unor antene de dimensiuni relativ mici (câţiva centimetri în benzile de frecvenţă uzuale de câţiva gigahertzi). Utilizarea fasciculelor de lumină pentru comunicaţii necesită câmp de vizibilitate directă şi acestea pot interfera cu lumina ambientală sau lumina zilei, dar permit folosirea unor transceivere de dimensiuni mai mici şi cu un consum energetic mai eficient decât în cazul comunicaţiilor radio. "Smart Dust", de exemplu, foloseşte fasciculele laser în comunicaţii. Cuplajele inductive sau capacitive funcţionează doar pe distanţe mici, dar pot fi folosite pentru alimentarea unor noduri senzor. Cele mai multe din sistemele pasive de identificare în radiofrecvenţă (RFID - Radio Frequency Identification Systems) folosesc, de exemplu, cuplaje inductive. Sunetul sau ultrasunetul sunt folosite, în general, în comunicaţiile sub apă sau pentru măsurarea distanţelor bazate pe dimensionarea timpilor de propagare. Uneori, un singur sistem de senzori, o reţea de

senzori poate folosi modalităţi diferite de comunicaţie

Modalităţile de comunicaţie folosite influenţează, desigur, proiectarea nivelului MAC (Medium Access Control) şi a protocoalelor de comunicaţii, dar şi alte proprietăţi relevante pentru aplicaţii.

Distingem, astfel, clasele: radio vs. fascicul luminos vs. cuplaj inductiv vs. cuplaj capacitiv vs. sunet.

Infrastructura: variatele metode de comunicaţie pot fi folosite în diferite feluri în scopul implementării unei reţele de comunicaţii. Putem spune că există două tipuri de reţele: pe de o parte, reţelele care se bazează pe infrastructură, iar pe de altă parte, reţelele ad-hoc. în reţelele bazate pe infrastructură, nodurile senzor pot comunica doar direct cu device-uri care au funcţii de staţii de bază. Comunicaţia între nodurile senzor se realizează prin intermediul staţiilor de bază. Dacă există mai multe staţii de bază, acestea trebuie să fie capabile să comunice între ele. Numărul staţiilor de bază depinde de raza de comunicaţie şi de aria de acoperire a nodurilor de senzori. Reţelele de telefonie mobilă constituie un exemplu pentru acest tip de reţea.

În reţelele ad-hoc, nodurile pot comunica unele cu altele direct, fără aportul infrastructurii. Nodurile se pot comporta ca routere, transmiţând mesaje, prin salturi multiple, mai departe în numele altor noduri.

Din moment ce desfăşurarea unei infrastructuri este un proces costisitor şi instalarea ei poate fi, deseori, greu realizabilă, reţelele ad-hoc sunt preferate în majoritatea aplicaţiilor. Cu toate acestea, dacă o infrastructură este deja disponibilă (de exemplu, reţeaua GSM), aceasta poate fi, de asemenea, utilizată pentru anumite aplicaţii ale reţelelor de senzori.

Combinarea celor două tipuri de reţele, ad-hoc şi bazate pe infrastructură, este folosită, uneori, unde grupuri de noduri senzor sunt interconectate printr-o reţea întinsă, bazată pe infrastructură.

De notat faptul că ceea ce s-a discutat mai sus se aplică nu doar procesului de comunicaţie în reţea, ci şi celorlalte procese: de localizare şi sincronizare (ex. sateliţii GPS).

Rezultă, astfel, cele două clase: infrastructura vs. ad-hoc.

Topologia: o importantă proprietate a reţelelor de senzori o reprezintă diametrul fizic, care reprezintă numărul maxim de salturi dintre oricare două noduri din reţea. În forma ei simplificată, o reţea de senzori formează o reţea cu un singur salt, în care fiecare comunică direct cu oricare alt nod din sistem. Reţeaua bazată pe infrastructură, cu o gură staţie de bază, formează o reţea stea cu diametrul doi. Reţeaua cu salturi multiple poate forma un graf arbitrar, dar de cele mai multe ori ea este construită sub forma unei structuri arborescente sau asemeni unei înlănţuiri de topologii stea.

Topologia afectează multe din caracteristicile unei reţele, cum ar fi timpul de latentă, robusteţea şi capacitatea. Complexitatea routării datelor şi a procesării depinde, de asemenea, de topologie.

Clasele care se desprind de mai sus ar fi: salt singular vs. stea vs. reţea de stele vs. arbore vs. graf.

Acoperirea: raza efectivă de acţiune a senzorilor ataşaţi unui nod senzor defineşte aria de acoperire a acestuia. Acoperirea reţelei măsoară gradul de acoperire a ariei de interes corespunzătoare nodurilor senzor. Cu o acoperire împrăştiată, răzleţită, doar unele părţi din zona de interes vor fi acoperite. Dar cu o acoperire densă, zona de interes va fi complet (aproape complet) acoperită de senzorii respectivi. Cu o acoperire redundantă, însă, mai mulţi senzori acoperă aceeaşi locaţie fizică. Gradul efectiv de acoperire este, în principal, determinat de acurateţea observării şi de redundanţa necesară. Acoperirea poate varia în interiorul reţelei. De exemplu, nodurile senzor pot fi desfăşurate mai dens în locaţiile fizice de interes.

Gradul de acoperire influenţează, de asemenea, algoritmii de procesare a informaţiilor. O bună acoperire este cheia către sistemele robuste şi poate fi exploatată pentru a extinde timpul de viaţă a reţelei prin trecerea nodurilor redundante în stare de repaus ("sleep mode"), în scopul conservării resurselor.

împrăştiat vs. dens vs. redundant sunt clasele obţinute de mai sus.

Conexiunile: raza de comunicaţie şi locaţiile fizice ale fiecărui nod senzor în parte definesc conexiunile unei reţele. Dacă există permanent o conexiune în reţea (posibil cu salturi multiple) între două noduri oarecare, se spune că este vorba despre o reţea conectată. Conexiunile pot fi discontinue sau intermitente dacă reţeaua este ocazional partiţionată. Dacă nodurile sunt izolate în cea mai mare parte a timpului şi intră în raza de comunicaţie a altor noduri, doar ocazional, vorbim despre o conexiune sporadică. De notat că, în ciuda existenţei partiţiilor, mesajele pot fi transportate peste acestea cu ajutorul nodurilor mobile.

Conexiunile influenţează, în principal, proiectarea protocoalelor de comunicaţii şi a metodelor de colectare a datelor.

Clasele care se desprind din această discuţie sunt: conectat vs. intermitent vs. sporadic.

Dimensiunea reţelei: numărul nodurilor constituiente ale unei reţele de senzori este, în general, determinat de cerinţele relative la conexiunile reţelei, la aria ei de acoperire şi la zona de interes. Mărimea reţelei poate varia de la câteva noduri senzor la câteva mii sau chiar mai mult. Dimensiunea ei determină cerinţele de scalare cu privire la protocoale şi algoritmi.

Timpul de viaţă: în funcţie de aplicaţie, timpul de viaţă a unei reţele poate varia de la câteva ore la câţiva ani. Necesitatea unui timp de viaţă cât mai lung are un mare impact asupra gradului de eficienţă energetică şi asupra robusteţii nodurilor reţelei.

Alte cerinţe asupra calităţii serviciilor: funcţie de aplicaţii, o reţea de senzori trebuie să fie capabilă să satisfacă anumite proprietăţi în ceea ce priveşte calitatea serviciilor (QoS - Quality of Service), aspecte cum ar fi cele legate de: funcţionarea în timp real (ex. producerea unui eveniment trebuie raportată într-un anumit interval de timp), robusteţea reţelei (ex. reţeaua ar trebui să rămână operaţională chiar dacă anumite erori, binedefinite, apar în funcţionarea ei), rezistenţa la atacuri (ex. reţeaua trebuie să rămână funcţională în pofida unor atacuri deliberate), împotrivirea contra tentativelor de acces nepermis (ex. entităţi externe trebuie oprite în încercarea lor de a obţine accesul la traficul pe reţea), secretizarea prezenţei (ex. prezenţa reţelei trebuie să fie greu de detectat). Aceste cerinţe pot avea influenţe şi asupra altor dimensiuni ale spaţiului de proiectare, cum ar fi acoperirea sau resursele reţelelor.