Proiect tehnici de Rutare în Reţelele de Senzori Wireless

1.4 Probleme în reţelele de senzori fără fir

Având în vedere multitudinea de aplicaţii în care aceste reţele pot fi utilizate, este imposibilă realizarea unei variante unice. Există totuşi unele caracteristici comune, în special în zona de condiţii ce trebuiesc îndeplinite pentru o fucţionare adecvată. Îndeplinirea acestor condiţii folosind componente noi este de importanţă majoră pentru evoluţia reţelelor de senzori fără fir.

1.4.1 Cerinţe caracteristice

Caracteristicile următoare se regăsesc în cele mai multe din aplicaţiile reţelelor de senzori:

• 
  Tipul de serviciu
  

Serviciile oferite de o reţea tradiţională de comunicaţii însumeaza transferul de informaţie (biţi codaţi în diferite moduri) dintr-o locaţie în alta.

O reţea de senzori transferă biţii de la sursa la destinaţie, deoarece este şi o reţea de comunicaţii, dar acesta nu reprezintă scopul ei principal. De la o reţea de senzori, utilizatorii aşteaptă răspunsuri clare şi inteligibile, eventual chiar acţiuni specifice unei anumite sarcini trasate. Nu este deci o simplă reţea de transport, ci o reţea inteligentă distribuită, capabilă să ofere “răspunsuri, nu numere” (Steven Glasser, UC Berkeley).

În viitor, concepte precum evaluarea interacţiunilor la nivel local, fie că este vorba de regiuni geografice sau de intervale de timp vor avea un rol predominant. Se prevede necesitatea de a gasi noi moduri de a utiliza o retea de senzori, noi interfeţe precum şi noi moduri de gândire despre serviciile oferite de o astfel de reţea.

• 
  Calitatea serviciului (QoS)
  

Calitatea serviciului este în strânsă legătură cu tipul de servicii oferite, fiind o masură a acestora.

Tradiţional, cerinţele pentru un serviciu de calitate – de obicei impuse de aplicaţii multimedia – cum ar fi întârzierea totală sau banda minimă alocată. Acestea devin irelevante când aplicaţia e tolerantă la latenţă sau banda ocupată de datele transmise e mică. În unele cazuri, transmiterea ocazională de pachete e mai mult decât suficientă, în altele sunt impuse cerinţe ridicate de încredere în sosirea la timp a informaţiei.

Există cazuri concrete în care latenţa şi întârzierea constituie factori importanţi, de exemplu în cazul în care un sistem trebuie controlat prin actuatoare în timp real de o reţea de senzori. Rata de primire a pachetelor constituie în acest caz o metrică insuficientă, este relevantă doar calitatea informaţiei privind anumite obiecte sau arii extrasă în anumite centre de colectare.

Din această cauză trebuie definite concepte adecvate de calitate cum ar fi încrederea în detecţia evenimentelor sau calitatea aproximării unei măsurători.

• 
  Toleranţa la erori
  

Deoarece nodurile senzor pot să rămână fără energie sau să sufere defectări (provocate de mediu şi condiţiile de funcţionare sau provocate prin intervenţie umană), iar legătura radio (sau optică/sonoră) poate fi întreruptă permanent, este foarte important din punctul de vedere al proiectării ca reţeaua fără fir de senzori să fie tolerantă la erori. Pentru a rezista la pierderea unui nod, este necesară o amplasare cu redundanţă, utilizând mai multe noduri decât ar fi necesare dacă reţeaua ar funcţiona corect.

• 
  Durata de viaţă
  

În multe scenarii, nodurile senzor se vor baza pe o sursă limitată de energie (în general baterii sau acumulatori). Înlocuirea acestor surse pe teren este de cele mai multe ori impractică (cost ridicat, eventual grad mare de periculozitate), deci reţelele de senzori trebuie să funcţioneze cel puţin pe durata stabilită a misiunii, sau pentru cât mai mult timp posibil. Din această cauză, durata de viaţă a unei reţele de senzori are o figură de merit foarte importantă. Este necesar un mod de utilizare eficient din punct de vedere energetic al reţelelor de senzori fară fir.

Ca o alternativă (sau supliment) al resurselor energetice disponibile unui nod, energia solară poate fi în unele situaţii (unde localizarea nodului o permite) utilizată prin convertirea cu celule fotovoltaice. De cele mai multe ori, aceste surse nu sunt suficient de puternice pentru a asigura funcţionarea continuă, dar pot asigura într-o oarecare măsură încărcarea bateriilor. În astfel de condiţii, durata de viaţă a reţelei e ideal indefinită.

Durata de viaţă a reţelei are un impact direct asupra QoS: investind mai multă energie în asigurarea unui QoS ridicat se poate creşte calitateaQoS: investind mai multă energie în asigurarea unui QoS ridicat se poate creşte calitatea, dar scade drastic durata de viaţă. Este nevoie de concepte pentru armonizarea acestor două caracteristici divergente.

Definirea exactă a duratei de viaţă depinde de tipul aplicaţiei. O opţiune simplă este definirea duratei de viaţă ca timpul de funcţionare până la cedarea primului nod. Alte definiţii includ: timpul până reţeaua este spartă în două sau mai multe porţiuni, timpul în care 50% (sau altă fracţiune fixă) din noduri cedează, sau timpul până la care o zonă din regiunea acoperită nu mai este sub observaţie (când se utilizează o amplasare redundantă, este de dorit ca fiecare punct de interes sa fie acoperit de cel puţin 2 noduri distincte la momentul iniţial).

• 
  Scalabilitatea
  

Deoarece o reţea de senzori fară fir poate include un număr mare de noduri, arhitecturile utilizate, precum şi protocoalele trebuie sa fie capabile să funcţioneze cu astfel de dimensiuni şi topologii.

• 
  Interval larg de densităţi
  

Într-o reţea de senzori, numărul de noduri per suprafaţă unitară (densitatea reţelei) poate varia considerabil. Aplicaţii diferite vor avea diferite densităţi ale nodurilor amplasate. Chiar în cadrul aceleiaşi aplicaţii densitatea poate varia spaţial şi temporal din cauza pierderii sau mutării de noduri. În plus, reţelele sunt rareori omogene, (din cauza amplasării imperfecte) şi trebuie să se adapteze la asemenea variaţii.

• 
  Programabilitate
  

Într-o reţea de senzori, fiecare nod trebuie să fie capabil să proceseze informaţia primită şi să reacţioneze flexibil la schimbări în sarcinile pe care trebuie sa le îndeplinească. Nodurile trebuie să fie programabile, iar programul să poată fi schimbat în timpul funcţionării când o altă sarcină capătă o prioritate mai mare. Este insuficient un mod fix de procesare a informaţiei.

• 
  Mentenabilitate
  

Deoarece mediul în care o reţea funcţionează se schimbă, şi deasemenea şi topologia este susceptibilă la schimbări (baterii descărcate, noduri care cedează, sarcini noi). Sistemul trebuie să se adapteze, să fie capabil sa-şi monitorizeze starea şi să schimbe parametrii operaţionali în consecinţă (de exemplu să scadă calitatea când bateriile se apropie de epuizare). În această optică, reţeaua trebuie să fie capabilă de auto-întreţinere, eventual să fie capabilă să interacţioneze cu sisteme externe de întreţinere pentru a-şi asigura o funcţionare pe o perioadă cât mai extinsă pentru un nivel impus al calităţii.

1.4.2 Mecanisme necesare

Pentru a realiza aceste cerinţe este nevoie de protocoale de comunicaţie şi de arhitecturi noi. O problemă dificilă o constituie necesitatea identificării de structuri suficient de specifice unei aplicaţii particulare din perspectiva QoS, durată de viaţă şi mentenabilitate dar şi suficient de flexibile pentru a putea fi generalizate de o gama mai largă de sisteme, altfel va fi necesară proiectarea individuală pentru fiecare aplicaţie în parte – ceea ce ar face reţelele de senzori impractice economic.

Câteva din mecanismele necesare de a fi implementate în mod tipic din reţelele de senzori sunt:

• 
  Comunicaţii fără fir cu salt multiplu
  

Cu toate că transmisiunile fără fir vor constitui nucleul nodurilor, comunicaţia directă între sursă şi destinaţie este confruntată de limitări. Transmisiunile pe distanţe lungi, în particular, au necesităţi energetice prohibitive. Utilizarea de noduri intermediare ca relee poate reduce semnificativ consumul total de putere, prin urmare comunicaţiile tip releu sunt un ingredient necesar în majoritatea reţelelor de senzori fără fir (în special în cele care folosesc undele radio pentru transportul informaţiei).

• 
  Funcţionare eficientă
  

Pentru a avea un ciclu de funcţionare cât mai lung, o tehnică esenţială este funcţionarea eficientă din punct de vedere energetic. Se vizează atât includerea transportului eficient între două noduri (J/bit) cât şi aflarea eficientă a rezultatului în urma unei interogări. Este de asemenea o problemă apariţia consumului neomogen în interiorul unei reţele.

• 
  Autoconfigurarea
  

O reţea de senzori trebuie să fie capabilă sa îşi configureze majoritatea parametrilor operaţionali în mod autonom (în special datorită numărului mare de noduri care sunt folosiţi de majoritatea aplicaţiilor). Reţeaua trebuie să fie tolerantă la defectări, şi să fie capabilă să integreze noduri noi în topologie, dacă acestea sunt introduse pentru a compensa nodurile ieşite din uz.

• 
  Colaborare şi procesare în interiorul reţelei
  

În unele cazuri, un singur senzor nu este suficient pentru a decide dacă un eveniment a avut sau nu loc. Este nevoie ca mai multe noduri să colaboreze pentru detecţie, pentru că numai totalul informaţiilor este suficient, după procesarea acestora în interiorul reţelei. În astfel de cazuri acest mod este mai eficient decât transmiterea de către fiecare nod a informaţiilor colectate într-un punct de procesare din exteriorul reţelei.

Un exemplu concludent este determinarea temperaturii maxime (sau medii) dintr-o zonă şi raportarea acesteia centrului de colectare. Pentru a rezolva eficient această sarcină, datele de la fiecare senzor pot fi agregate în timp ce se propagă prin reţea, reducând dimensiunea informaţiei ce trebuie transmisă şi îmbunătăţind eficienţa energetică.

• 
  Centralizarea datelor
  

Reţelele tradiţionale de date sunt în general construite în jurul transferului de informaţii între două echipamente specifice, fiecare având cel puţin o adresă de nivel reţea, funcţionarea acestor echipamente fiind astfel legată de adresă. Într-o reţea de senzori fără fir, în care nodurile sunt în general amplasate pentru a oferi redundanţă (pentru a proteja reţeaua de pierderea unui număr de noduri) sau pentru a compensa calitatea redusă/rezoluţia slabă a senzorilor ce deservesc un singur nod, identitatea punctuală a nodului de la care originează informaţia devine irelevantă. Sunt importante răspunsurile şi valorile oferite de reţea, nu identitatea echipamentului care le-a furnizat. Este deci important să se considere o programare bazată pe centralizarea datelor, nu a adreselor.

Un exemplu de interacţiune centralizată a datelor este o cerere de a se afla temperatura medie a unei zone date, şi nu adresarea de cereri către fiecare nod individual de a raporta temperatura locală. Astfel de paradigmă poate fi întrebuinţată pentru a seta condiţii de alarmă (crează o alarmă dacă temperatura depăşeşte un prag). După cum se poate vedea, centralizarea datelor e înrudită cu conceptele de interogare ale bazelor de date. Funcţionează bine în medii colaborative (cu procesare în interiorul reţelei) şi cu agregarea.

• 
  Localizarea
  

Acesta este mai degrabă un ghid de proiectare. Principiul localizării este important pentru a asigura scalabilitatea reţelei. Nodurile, care au în general resurse foarte limitate (de exemplu de memorie), trebuie să îşi limiteze acumularea de informaţii din timpul rulării algoritmilor de reţea numai la nivelul vecinilor direcţi. Astfel se speră că o reţea poate creşte fără ca nodurile să aibă nevoie de o putere sporită de procesare pentru a utiliza tabelele de rutare. Este un subiect deschis de cercetare îmbinarea acestui principiu cu protocoale eficiente.

• 
  Funcţionare speculativă
  

Similar cu principiul localizării, reţelele de senzori trebuie să se bazeze pe exploatarea diverselor posibilităţi ce apar între necesităţi contradictorii, atât în timpul proiectării sistemului/protocolului cât şi la rulare. Exemple de asemenea exploatări au mai fost menţionate anterior în lucrare: un consum ridicat de energie ce permite rezultate de precizie mai bună, sau viaţa mai lungă a reţelei în schimbul unei precizii mai proaste. Un alt factor ce se poate specula este densitatea nodurilor: depinzând de aplicaţie, amplasare şi pierderea de noduri la rulare, densitatea reţelei se poate schimba considerabil. În aceste condiţii, protocoalele implicate vor trebui să facă faţă unor situaţii foarte diferite, prezente în locaţii diferite într-o singură reţea.
Exploatarea acestor mecanisme într-un mod care le face uşor de aplicat şi totuşi suficient de generale se poate realiza doar prin desprinderea de paradigmele obişnuite ale programării centrate pe adresă şi abandoanarea conceptelor interfeţei (socket) convenţionale în favoarea conceptelor data centrice: precizie cerută, funcţionare speculativă energie/precizie etc.