Mecanismo Eficiente para Disseminação do Tráfego de Controle em Redes de Sensores Sem Fio Cluster-Tree baseadas no IEEE 802.15.4

Abstract

As normas IEEE 802.15.4 e ZigBee definem a pilha de protocolos amplamente utilizada na operação de Redes de Sensores sem Fio (RSSF). A topologia cluster-tree, suportada por estas normas, oferece recursos como escalabilidade, sendo apontada pela literatura como a mais adequada para a implementação de aplicações de RSSFs em larga escala. Entretanto, essas redes podem sofrer com congestionamentos e atrasos devido aos seus diferentes padrões de tráfego. Por um lado, são usualmente priorizadas as mensagens do tráfego de monitoramento geradas por nós sensores, que seguem em direção ao coordenador da rede (tráfego upstream); por outro, sofrem maiores atrasos as mensagens de controle que seguem o tráfego inverso (tráfego downstream). Este artigo propõe um mecanismo eficiente para a rápida disseminação do tráfego de controle em RSSFs cluster- tree. A ideia principal consiste em combinar um esquema de escalonamento híbrido periódico, com a definição de janelas de oportunidade Top-Down, com um esquema de configuração adequada dos parâmetros CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) para os nós coordenadores, a fim de possibilitar uma rápida disseminação das mensagens de controle, sem gerar impactos relevantes para o típico tráfego de monitoramento. Resultados de simulações mostram que a definição de janelas de oportunidades Top-Down, aliada com uma adequada configuração de valores macMinBE e macMaxBE para nós coordenadores, podem reduzir significativamente os atrasos de comunicação e aumentar a taxa de entrega de mensagens de controle, sem interferir de forma relevante nas métricas do tráfego de monitoramento, mesmo em cenários de grande densidade de nós sensores.

Um Mecanismo de Controle de Congestionamento Disparado por Eventos Através de Filtragem Local de Dados para RSSFs Cluster-Tree

“…Um superframe é limitado por quadros beacons que são periodicamente transmitidos pelos CHs, a fim de sincronizar seus nós sensores filhos e identificar o PAN [13].…”

“…Este trabalho utiliza uma infraestrutura de reconfigurac ¸ão dinâmica de redes cluster-tree proposta por [13], que dispara um mecanismo de reconfigurac ¸ão de rede na detecc ¸ão de eventos críticos na rede, tais como dados monitorados indicando a detecc ¸ão de uma possível situac ¸ão de desastre, o que gera um aumento no ciclo de trabalho dos nós sensores e uma sobrecarga adicional para a infraestrutura de comunicac ¸ão.…”

“…A Figura 3 apresenta o modelo arquitetural de reconfigurac ¸ão global existente (cor cinza), com a inclusão do mecanismo de atuac ¸ão local proposto (cor azul). Basicamente, os módulos estabelecidos segundo [13] são definidos como segue:…”

“…O conjunto de normas IEEE 802.15.4/ZigBee suporta um tipo especial de rede peer-to-peer conhecido como clustertree, apontado como uma das topologias mais adequadas para implementar RSSFs em larga escala [12], que oferece recursos, tais como: alta escalabilidade, operac ¸ão de baixo consumo energético e comunicac ¸ão com baixa latência. Entretanto, devido à sua estrutura hierárquica e ao padrão do tráfego de monitoramento (convergecast) gerado pelos nós sensores, essas redes enfrentam típicos problemas de congestionamentos, ocasionando um maior consumo de energia, maior perda de pacotes e maiores atrasos de comunicac ¸ão fim-a-fim [13], [14].…”

“…Diante deste contexto, este artigo propõe um mecanismo eficiente de controle de congestionamento disparado por eventos através de filtragem local de dados para RSSFs cluster-tree. Este mecanismo objetiva evitar ou postergar congestionamentos, o que implica a necessidade de reconfigurac ¸ão de rede, combinando os seguintes esquemas: i) a implementac ¸ão de uma arquitetura de reconfigurac ¸ão de rede já existente baseada nas características de gerac ¸ão de dados dos nós sensores, definida em [13]; ii) o monitoramento contínuo para detecc ¸ão de eventos de aumento de fluxo de dados, tais como alarmes, que potencializa os congestionamentos; iii) implementac ¸ão do mecanismo de filtragem de dados para prover uma diminuic ¸ão do fluxo dos nós sensores sem perder relevância dos dados; e por fim, iv) disparar o processo de reconfigurac ¸ão de rede, caso o mecanismo de filtragem de dados não consiga suprir o aumento da carga de dados gerada pelo evento.…”