Avaliação integrada de consumo de energia e confiabilidade em rede sensores sem fio usando modelos

Rede de Sensores Sem Fio (RSSF) é um tipo de rede ad hoc formada tipicamente por centenas de pequenos dispositivos, chamados de nós sensores, os quais cooperam entre si para coletar e enviar informações até um nó sorvedouro. Esses nós sensores possuem recursos limitados de processamento, armazenamento e energia. Geralmente, a RSSF é implantada para coleta de informações em ambientes de difícil acesso, impossibilitando a substituição dos nós sensores caso apresentem alguma falha ou quando a energia acaba. Sendo assim, planejar e estimar o tempo de vida (consumo de energia) e a qualidade do serviço (confiabilidade) de uma RSSF antes de implantá-la são atividades cruciais. Existem duas deficiências quando se observam soluções para o problema mencionado: elas se concentram na avaliação do consumo da aplicação ou apenas da infraestrutura de comunicação( e.g., protocolos de comunicação); e, quando os trabalhos avaliam os dois juntos, eles avaliam ou o consumo de energia ou a confiabilidade, e não ambas. Tais deficiências devem ser resolvidas para se ter um bom planejamento da RSSF. Neste cenário, esta tese propõe uma metodologia para guiar o usuário no desenvolvimento de RSSFs levando em consideração o consumo de energia e a confiabilidade das aplicações e da infraestrutura. A metodologia orienta o usuário no planejamento, codificação, otimização, validação e implantação da RSSF. Com relação à avaliação, a metodologia inclui quatro conjuntos de modelos formais baseados em Coloured Petri Ned (CPN) e em Reliability Block Diagram (RBD) para avaliar o consumo de energia e a confiabilidade, respectivamente. Esses quatro conjuntos de modelos são criados através de um processo de composição usando pequenos modelos reusáveis. Todas as atividades da metodologia são suportadas por um conjunto de ferramentas que automatiza a avaliação das RSSFs. Os modelos CPN e RBD foram validados através de experimentos, comparando os resultados obtidos a medições e dados encontrados na literatura. Uma análise de sensibilidade foi realizada para identificar quais fatores tem maior impacto sobre o consumo de energia e a confiabilidade das RSSFs. As contribuições foram a metodologia, unindo o planejamento da aplicação com da infraestrutura da RSSF e avaliando o consumo de energia e a confiabilidade de forma integrada; os modelos formais baseados nas instâncias da RSSF; o conjunto de ferramentas para suportar a metodologia proposta; e a análise de sensibilidade, que mostrou quais fatores afetam mais o consumo e a confiabilidade da RSSF.FACEPEWireless Sensor Network (WSN) is an ad hoc network typically formed by hundreds of small devices called sensor nodes, which cooperate to collect and send information to a sink node. These sensor nodes have limited processing, storage and energy resources. Generally, the WSN is deployed to collect information in inaccessible environments, making it impossible to replace the sensors if they have any failure or when the energy is over. In this way, planning and estimating the lifetime (power consumption) and quality of service (reliability) of a WSN, considering the application and infrastructure before deploying are crucial activities. There are two deficiencies when looking at solutions for the mentioned problem: they focus on evaluating the power consumption of the application or just the infrastructure of WSN; and, when the studies evaluate both together, either they evaluate power consumption and reliability, not both. These deficiencies should be addressed to enable a good WSN planning. In this scenario, this thesis proposes a methodology to guide the user in the WSNs development, considering the power consumption and reliability of the application and the infrastructure of the WSN. The methodology guides the user in the design, coding, optimization, validation and deployment of a WSN. Regarding the evaluation, the methodology includes four sets of formal models based on Coloured Petri Ned (CPN) and Reliability Block Diagram (RBD) to evaluate the power consumption and reliability of the WSN, respectively. These four models are created by a process of composition using small reusable models. All activities of the methodology are supported by a set of tools that automates the WSN evaluation. CPN and RBD models were validated by experiments, comparing the results obtained by the models with results of the measurements or study in the literature. A sensitivity analysis was performed to identify which factors impact on power consumption and reliability of the WSN using the proposed models. The contributions were the methodology, combining the planning of the application with the WSN infrastructure and evaluating power consumption and reliability in an integrated way; formal models based on WSN instances; the set of tools to support the proposed methodology; and the sensitivity analysis, which showed the factors that most affect the consumption and reliability of WSN