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A Hierarchical Energy-Efficient Framework for Data Aggregation in Wireless Sensor Networks

Yuanzhu Peter Chen, Arthur L. Liestman, Member, IEEE, and Jiangchuan Liu, Member, IEE

Almir Cruz, Vaderi Leithardt,

IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 55, Nº 3, MAY 2006

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Um Quadro Hierárquico Energeticamente Eficiente para Agregação de Dados em Redes de Sensores Sem Fio

Yuanzhu Peter Chen, Arthur L. Liestman, Member, IEEE, and Jiangchuan Liu, Member, IEE

IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 55, Nº 3, MAY 2006

Almir Cruz, Vaderi Leithardt,

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Roteiro

2. Estado da Arte

3. Problemas a resolver

4. Modelo (Solução)

1. Motivação

5. Resultados e comparação

6. Conclusão

7. Notas

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MotivaçãoEstado-da-arteProblemas a resolverModelo (solução)Resultados/ComparaçõesConclusãoNotas

- Essa nova tecnologia permite monitorar remotamente um ambiente e obter informações mais precisas, tirando vantagem de ser empregada bem próxima ao fenômeno de interesse.- Rede de sensores sem fio pode ser definida como uma classe particular de sistemas distribuidos, onde as comunicações de baixo nível não dependem da localização topológica da rede [Heidemann][6];- Consiste de um elevado número de nós sensores (tais como, termômetro, manômetro, sísmico, detector de luz, químico e biológico) que estão conectados pelo meio sem fio.- Uma RSSFs tende a ser autônoma e requer um alto grau de cooperação para executar as tarefas definidas para a rede. Isto significa algoritmos distribuídos tradicionais, como protocolos de comunicação e eleição de líder (Clusters- heads).

Introdução

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As redes de sensores sem fio possuem como característicasprincipais: o sensor, o observador e o fenômeno.

Sensor : é o dispositivo que implementa a monitoração físicade um fenômeno ambiental e gera relatórios de medidas,Através de comunicação sem fio.

Observador : é o usuário final interessado em obter informaçõesdisseminadas pela rede de sensores em relação ao fenômeno.

Fenômeno : é a entidade de interesse do observador, que esta Sendo monitorada e cuja informação potencialmente será analisadaPela rede de sensores.

Características

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Áreas de aplicação


•Militar - para funções de monitoramento, rastreamento, segurança, controle e manutenção; •Industrial - para funções de monitoramento, particularmente em áreas de difícil acesso; •Aviação - substituindo as redes com fio; •Ambiente - para monitorar variáveis ambientais em prédios, florestas, oceanos, etc; •Tráfego - principalmente monitoramento de vias, estacionamentos, etc; •Engenharia - monitoramento (e modelagem) de estruturas (vibrações e deformações).

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Funcionamento básico

De acordo com [1], a densidade (R) pode ser obtida pela expressão (N R2)/A, onde N é o número de nós sensores com raio de transmissão R,que são lançados em uma região de área A.

[1] Bulusu, N., Estrin, D., Girod, L., and Heidemannn, J. Scalable coordination for wireless sensor networks: Self-conguring localization systems. Proceedings of the International Symposium on Communication Theory and Applications (ISCTA) (julho de 2001).

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Arquitetura


O nó sorvedouro (sink) é responsável pela difusão das tarefas de sensoriamento (ou interesses) e coleta dos dados sensoriados, podendo atuar também como "ponte" para redes externas.

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Consideração 1 Mhatre e Rosenberg consideram dois tipos: 1. Sensores regulares (tipo 0); 2. Sensores mais potentes (tipo 1) – candidatos agregadores;

Consideração 2 Bandyopadhyay e Coyle calculam o número de agregadores, em cada nível para a conservação da energia.

Reserva de energia!!!

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Proposta dos Autores

- Propor um Modelo Hierárquico para minimizar o total de energia consumida;

- Duas fases no processo de agregação; 1 - EPAS (Energy-Efficient Protocol for Aggregator Selection), e 2 - hEPAS.

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- Para agregar os dados a partir de sensores foi apresentado o algoritmo LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy);- Protocolo que utiliza ciclos durante os quais são formados agrupamentos de nós(clusters) ande um nó é escolhido como base local(clusterhead) onde cada nó decide qual será sua base local (menor custo de comunicação); - Protocolo auto-organizável e adaptativo;- Seleção de Clusters-heads (CHs), entre nós sensores da rede;- CHs realizam agregação de dados.

Algoritmo de agregação

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Eleição de Clusters Heads

1. Os nós que são líderes no round 0 não podem serlíderes nos próximos 1/p rounds;

2. Após um nó se eleger um líder, ele faz um broadcastda mensagem informando este fato;

3. Cada nó não-líder decide a que grupo irá se associar baseado no quão forte o sinal do CH é recebido;

4. Depois que o nó decidiu a qual cluster vai pertencer, ele informa ao líder que ele será um membro do grupo;

5. Baseado no número de nós no grupo, o líder cria umaagenda TDMA informando a cada nó quando ele podetransmitir os dados agregados.

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EPAS (Energy-Efficient Protocol for Aggregator Selection);

1ª Fase : Escolha do sensor para ser um clusterhead;

2ª Fase : Cada sensor que não esta dentro do raio de cobertura de alguns clusterhead declara-se a ser um clusterhead com probabilidade p2.

hEPAS – extensão com hierarquia Energy-Efficient Protocol for Aggregator Selection

Mais que uma fase, onde i = nível, para Ki(i=0,1,..., h + 1);

Protocolo Agregador de Seleção

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Simulação com 10.000 sensores;Número esperado de agregadores: 25, 100, 400, ou 1600Cobertura do raio => b = (2x1000)/ 5, entãob = 400, 200, 100 e 50 m

Números de sensores descobertos - Simulação

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Medir energia consumida - Simulação

Simulação com 10.000 sensores;Valor em joules 100j, onde j = 1, 2, ... , 30.

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Conclusão dos autores

Jiangchuan Liu Arthur L. Liestman Yaanzhu Peter Chen

“As simulações realizadas mostram que o consumo de energiaentre os sensores são reduzidos significativamente com o empregodos protocolos propostos. Principalmente quando utilizado o modelo Hierárquico - hEPAS”

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Conclusão dos alunos

Almir Cruz Valderi Leithardt

“Apesar das simulações realizadas mostrarem um diferencial no consumo de energia, as redes de sensores sem fio ainda devem conseguir superar todas as restrições impostas a este tipo de rede, de modo a tornar-se viável a sua comercialização.”“Os autores provaram que limitando os níveis hierárquicos das redes de sensores sem fio em ate 5, pode-se obter um melhor consumo de energia.”

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Notas

Motivação e estado da Arte 4

Problemas a resolver e Modelo 4

Resultados e comparações com trabalhos realizados 4

Redação e formatação 5

1 a hierarchical energy-efficient framework for data aggregation in wireless sensor networks yuanzhu...

Documents

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