HAR: Hierarchy-Based Anycast Routing Protocol for Wireless Sensor Networks

1. HAR: Hierarchy-Based Anycast Routing Protocol for Wireless Sensor Networks(Niwat Thepvilojanapong, Yoshito Tobe, Kaoru Sezaki)Prof. Dr. Célio V. N. Albuquerque Etienne César R. de Oliveira Mestrando em Computação eoliveira@ic.uff.br Abril de 2005

2. Agenda • Introdução • Modelo de Rede Proposto • HAR: Hierarchy-Based Anycast Routing • Avaliação de Performance • Conclusão

3. Introdução • Avanços Tecnológicos • MEMS-based (Micro-Electro-Mechanical Systems) • Low-Power RF • Desenho de novos de Sistemas Operacionais • Aplicações • Monitoramento de ambientes • Sistemas de rastreamento • Detecção de Falhas • Detecção de Intrusos • Limitações • Poder Computacional • Área de Armazenamento • Banda de Transmissão • Gerenciamento de Energia

4. Introdução • Rede de Sensores • Monitoramento de tarefas específicas • Envio de dados coletados de forma periódica ou espontânea • Reconstrução de rotas em caso de falhas individuais ou coletivas de sensores • Proposta do HAR • Simplicidade • Escalabilidade • Robustez

5. Agenda • Introdução • Modelo de Rede Proposto • HAR: Hierarchy-Based Anycast Routing • Avaliação de Performance • Conclusão

6. Modelo de Rede Proposto • Estações Base • Quantidade reduzida • Recursos “ilimitados” • Sensores • Quantidade significativa • Recursos limitados • Antenas omni-direcionais • Transmissão por RF • Fixos • Anycast • Protocolo Multipoint-to-point • N → conjunto de sensores • BS → conjunto de estações base • (s, d), s Є {N} e d Є {BS}

7. Agenda • Introdução • Modelo de Rede Proposto • HAR: Hierarchy-Based Anycast Routing • Avaliação de Performance • Conclusão

8. HAR: Hierarchy-Based Anycast Routing • Utilização de árvores hierárquicas • Raiz – estação base • Nós internos / Folhas – sensores • Formato do pacote • Type • IDsrc • IDdst • IDgrp • Sequence • Length • Data

9. Área de Alcance Área de Alcance CREQ CREP CACP CREQ Árvores Hierárquicas – Inserção de Nós 1) Construção da Árvore Hieráquica • BS envia CREQ • Sensor recebe CREQ • Sensor cria a PC S6 • Sensor aguarda Tcreq • Sensor envia CREP • Sensor aguarda Tcacp S1 • BS envia CACP • Sensor inserido 2) Sensor envia CREQ S5 BS S7 S2 S4 S3

10. Árvores Hierárquicas – Inserção de Nós • Recebimento de CREQs (child request) • Construção da PC (parental candidate) • Seleção do nó pai • Menor crq_time (tempo de recebimento do CREQ pelo nó pai) • Menor joined_time (tempo de recebimento de um pacote CACP pelo nó pai) • Envio de CREP (child reply) para o nó pai eleito • Aguarda CACP (child acceptance) • Time-out (tempo de espera > Tcapt) • Retransmissão do CREQ (até 2 vezes) • Seleciona outro nó pai • Nó filho inserido • Envio de CREQ

11. Área de Alcance CREQ PREQ CREP DATA DATA CREQ CREQ CACP Árvores Hierárquicas – Inserção de Nós 1) Rede em funcionamento • Sensores S1 e S2 enviando pacotes 2) Novo sensor ligado • Sensor envia PREQ • Sensor aguarda Tcreq • Sensor recebe CREQ S1 • Sensor cria a PC S6 • Sensor envia CREP para S5 • Sensor aguarda Tcacp • S5 envia CACP para sensor • Sensor inserido S2 3) Sensor envia CREQ S5 S5S6 S5 S7 S3 S4

12. Árvores Hierárquicas – Inserção de Nós • Envio de PREQs (parent request) em broadcast • Recebimento de CREQ enviados em unicast • Construção da PC (parental candidate) • Seleção do nó pai • Menor crq_time (tempo de recebimento do CREQ pelo nó pai) • Menor joined_time (tempo de recebimento de um pacote CACP pelo nó pai) • Envio de CREP (child reply) para o nó pai eleito • Aguarda CACP (child acceptance) • Time-out (tempo de espera > Tcapt) • Nó filho inserido • Sem resposta • Aguarda pacote CREQ • Envio periódíco de PREQ

13. Tratamento de Falhas • On-demand • Acknowledgement do protocolo MAC • Seleção de candidatos a partir da tabela PC • Envio de CREQ • Recebimento de CACP • Tabela PC vazia ou sem resposta ao CREQ • Envio de PREQ • Prevenção de loop (descarte pelos nós filhos e netos) • Recebimento de CREQ • Envio CREP • Recebimento de CACP • Tabela PC vazia e sem resposta ao CREQ e ao PREQ • Envio de PQRY aos filhos • Resposta de PREP • Selecão aleatória de um candidado a nó pai • Envio de REV em unicast • Filho seleciona um novo nó pai • Filhos sem candidatos ou sem resposta PREP • Envio de REV a um nó de forma aleatória

14. Roteamento Anycast e Mudança de Estados • Anycast • Envio de um pacote para um receptor dentro de um grupo • Mudança de Estados

15. Agenda • Introdução • Modelo de Rede Proposto • HAR: Hierarchy-Based Anycast Routing • Avaliação de Performance • Conclusão

16. Avaliação de Performance • Metodologia • 50, 70 e 100 sensores fixos • Área de 250 m2 • Capacidade de TX/RX de 19200 bps • Tráfego CBR associado ao UDP: • 128 bps (0,25 pps) • 256 bps (0,5 pps) • 512 bps (1 pps) • 1024 bps (2 pps) • Tcreq=0,1s e Tcapt=0,3s

17. Avaliação de Performance • Taxa de Envio de Pacotes (PDR)

18. Avaliação de Performance • Latência Média

19. Avaliação de Performance • Quantidade de Saltos

20. Agenda • Introdução • Modelo de Rede Proposto • HAR: Hierarchy-Based Anycast Routing • Avaliação de Performance • Conclusão

21. Conclusão • Performance superior • Taxa de Envio de Pacotes (PDR) • Latência Média • Quantidade de Saltos • Escalabilidade • Redes maiores • Maior quantidade de sensores • Maior área • Redes dinâmicas • Quantidade de estações base • Consumo de energia • Confiabilidade • Implementação em um ambiente real

22. Conclusão • Questões: • Periodicidade de envio de CREQs pela BS • Determinação do Tcreq dos sensores