Comunicação de dados baseada no escalonamento de trabalho de nós vizinhos em redes de sensores sem fio

Exportado OPUSMade available in DSpace on 2019-08-10T02:40:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 maxdovalmachado.pdf: 9619477 bytes, checksum: accd60e802d4c71539b2a62493228ea7 (MD5) Previous issue date: 18A melhor forma de economizar energia em Redes de Snsores Sem Fio (RSSFs) é fazer com que os nós sensores adormeçam sempre que possível, fazendo com que eles fiquem indisponíveis periodicamente. No entanto, essa indisponibilidade oide afetar tarefas de rede como a comunicação de dados. Protocolos para controle de acesso ao meio para essas redes tipicamente tratam o problema de escalonar a comunicação de dados quando o próximo nó estiver dormindo. Uma das abordagens usadas por esses protocolos (política pró-ativa) é compartilhar seu escalonamento de trabalho com seus vizinhos e cada nó emissor agenda sua transmissão para o momento em que o próximo nó estiver acordado. Esse processo de compartilhamento é tipicamente baseado em troca de pacotes, o que aumenta o consumo de energia da rede. Outra abordagem (política reativa) é descobrir quando o próximo nó estará acordado e, depois, enviar o pacote nesse momento. Apesar dessa abordagem eliminar o custo de compartilhamento, suas descobertas também efetuam transmissões adicionais. Dadas as limitações das duas abordagens, esta tese propõe três soluções para minimizar os custos de compartilhamento e descoberta. A primeira solução é uma abordagem híbrida entre as duas políticas existentes. Nesse caso, cada nó emissor insere seu escalonamento de trabalho em sua mensagem e cada receptor guarda essa informação para usá-la em transmissões futuras. A segunda solução é um projeto combinado entre a política reativa e o roteamento baseado no receptor. Essa abordagem de roteamento aumenta o número de candidatos a próximo nó, o que minimiza o custo de energia da descoberta reativa. Nesse projeto combinado, o nó emissor tem que descobrir o escalonamento de um nó específico. A última solução é o protocolo Gossiping Using the Energy Map (GEM), um projeto integrado envolvendo as camadas de rede e MAC para efetuar difusão de dados quando os nós sensores ficam quase sempre dormindo (por exemplo, durante 99% de seus tempos de vida). Nesse caso, quando um nó emissor envia um pacote, nem todos seus vizinhos estarão acordados. A maioria das soluções propostas para difusão de dadosem RSSFs desconsidera que os nós sensores podem ficar frequentemente dormindo. A ideia principal do GEM é criar uma árvore de difusão baseada no mapa de energia da rede (informação sobre a energia restante em cada parte da rede) e fazer com que cada nó sensor compartilhe informações apenas com um nó vizinho que participa dessa árvore disseminando dados. Além disso, o GEM usa o mapa de energia para adaptar o funcionamento básico dos nós localizados dentro de regiões de baixa energia, prolongando o tempo de vida da rede. Resultados de simulação mostram que as soluções propostas nesta tese reduzem a quantidade de transmissões e consomem menos energia quando comparadas com outras soluções propostas na literatura e avaliadas neste trabalho.The best way to save energy in Wireless Sensor Networks (WSNs) is to have sensor nodes go to sleep whenever possible, making them periodically unavailable. On the other hand, this unavailability may affect network tasks such as data communication. Media Access Control protocols for these networks typically deal with the problem of scheduling the data communication when the next hop is sleeping. One of the approaches used by those protocols (proactive policy) is to share each node's working schedule with its neighbors and have sender nodes to schedule their transmissions to their next hop awaking moment. This sharing process is typically based on message exchanges, which increases the network energy consumption. Another approach (reactive policy) is to discover when the next hop is going to be awake, and, have a node to send a message at that moment. Although this approach eliminates the sharing cost, its discovery process introduces additional packet transmissions as well. Given the limitations of both polices, this thesis proposes three solutions to eliminate or minimize the sharing and discovery costs of a node's schedule. The first is a hybrid policy that combines both existing approaches. In this case, each sender node inserts its working schedule into its packet and each receiver node saves this information to use in future transmissions. The second contribution is a combined design involving the reactive policy and the receiver-based routing. This routing technique increases the number of next hop candidates and can minimize the cost of the reactive discovery. In this combined design, a sender node has to discover the working schedule of some neighbor node instead of a specific neighbor. Our last contribution is the Gossiping Using the Energy Map (GEM) protocol, a cross-layer design solution involving the network and MAC layers to perform broadcasting when sensor nodes frequently sleep (e.g., during 99% of their lifetime). In this case, when a sender node sends a packet, not all neighbors will be awake. Most of the solutions proposed for broadcasting in WSNs ignore that sensor nodes can frequently sleep. The main idea of this protocol is to create a broadcasting tree based on the network energy map (the information about the amount of energy available at each part of the network) and make each sensor node share information with only one neighbor node that belongs to this tree. Furthermore, this protocol explores the energy map to change the basic operation of nodes localized inside low-energy regions. Simulation results reveal that our solutions reduce the number of transmissions and energy consumption when compared with other solutions proposed in the literature and evaluated in this work