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

  • Miguel Lino UFPI
  • Vitor Vasconcelos UFPI
  • Erico Leão UFPI
  • André Soares UFPI
  • Carlos Montez UFSC
  • Ricardo Moraes UFSC
  • Francisco Vasques FEUP

Resumo


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.

Palavras-chave: Redes e Protocolos de Comunicação, Redes de Sensores Sem Fio

Referências

J. A. Stankovic, A. D. Wood, and T. He, “Realistic Applications for Wireless Sensor Networks.” Theoretical Aspects of Distributed Computing in Sensor Networks, no. 25, pp. 835–863, 2011.

M.-H. Afsar, M. Mehdi e Tayarani-N, “Clustering in sensor networks,” Journal of Network and Computer Applications, vol. 46, no. C, pp. 198–226, Nov. 2014.

A. A. S. Kumar, K. Ovsthus, and L. M. Kristensen, “An Industrial Perspective on Wireless Sensor Networks - A Survey of Requirements, Protocols, and Challenges,” IEEE Communications Surveys and Tutorials, vol. 16, no. 3, pp. 1391–1412, 2014.

M. H. Rashid, Bushra e Rehmani, “Applications of wireless sensor networks for urban areas: A survey,” Journal of Network and Computer Applications, vol. 60, no. C, pp. 192–219, Jan. 2016.

IEEE 802.15.4, “IEEE Standard for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs),” IEEE Computer Society, pp. 1–709, Dec. 2015.

ZigBee, “ZigBee Specification,” ZigBee Alliance (Document 053474r20), Sep. 2012.

C. Li, H. Zhang, B. Hao, and J. Li, “A Survey on Routing Protocols for Large-Scale Wireless Sensor Networks,” Sensors, vol. 11, no. 12, pp. 3498–3526, Dec. 2011.

H. Lin, L. Wang, and R. Kong, “Energy Efficient Clustering Protocol for Large-Scale Sensor Networks,” IEEE Sensors Journal, vol. 15, no. 12, pp. 7150–7160, 2015.

A. Koubaa, M. Alves, B. Nefzi, and Y.-Q. Song, “Improving the IEEE 802.15.4 Slotted CSMA/CA MAC for Time-Critical Events in Wireless Sensor Networks,” in Proceedings of the Workshop of Real-Time Networks (RTN 2006), Satellite Workshop to ECRTS 2006, Dresden, Germany, Jul. 2006.

L. Constante, J. Lau, R. Moraes, G. Araujo, C. Montez, and E. Leão, “Enhanced association mechanism for ieee 802.15.4 networks,” in 2017 22nd IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), Sep. 2017, pp. 1–8.

A. Koubaa, A. Cunha, M. Alves, and E. Tovar, “TDBS: A Time Division Beacon Scheduling Mechanism for ZigBee Cluster-Tree Wireless Sensor Networks,” Real-Time Systems, vol. 40, no. 3, pp. 321–354, Dec. 2008.

P. Hanzalek, Z e Jurcík, “Energy Efficient Scheduling for Cluster-Tree Wireless Sensor Networks With Time-Bounded Data Flows: Application to IEEE 802.15.4/ZigBee,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 6, no. 3, pp. 438–450, 2010.

R. Severino, N. Pereira, and E. Tovar, “Dynamic Cluster Scheduling for Cluster-tree WSNs,” SpringerPlus, vol. 3, no. 1, p. 493, Aug. 2014.

M.-S. Yeh, Lun-Wu e Pan, “Beacon Scheduling for Broadcast and Convergecast in ZigBee Wireless Sensor Networks,” Computer Communications, vol. 38, pp. 1–12, Feb. 2014.

A. Koubaa, M. Alves, and M. Attia, “Collision-free beacon scheduling mechanisms for IEEE 802.15. 4/Zigbee cluster-tree wireless sensor networks,” Technical Report (TR-061104), 2006.

F. Xia, J. Li, R. Hao, X. Kong, and R. Gao, “Service Differentiated and Adaptive CSMA/CA over IEEE 802.15.4 for Cyber-Physical Systems,” Scientific World Journal, vol. 2013, pp. 1–12, 2013.

E. Leão, C. Montez, R. Moraes, P. Portugal, and F. Vasques, “Superframe Duration Allocation Schemes to Improve the Throughput of Cluster-Tree Wireless Sensor Networks,” Sensors, vol. 17, no. 2, p. 249, Feb. 2017.

E. Leão, V. Vasconcelos, P. Portugal, C. Montez, and R. Moraes, “A hybrid beacon scheduling scheme to allow the periodic reconfiguration of large-scale cluster-tree wsns,” in 2018 IEEE 16th International Conference on Industrial Informatics (INDIN), July 2018, pp. 169–174.

C. Benzaïd, M. Bagaa, and M. Younis, “Efficient clock synchronization for clustered wireless sensor networks,” Ad Hoc Networks, vol. 56, pp. 13 – 27, 2017.

A. Ghaffari, “Congestion control mechanisms in wireless sensor networks: A survey,” Journal of Network and Computer Applications, vol. 52, pp. 101 – 115, 2015.

E. Leão, R. Moraes, C. Montez, P. Portugal, and F. Vasques, “CT-SIM: A simulation model for wide-scale cluster-tree networks based on the IEEE 802.15.4 and zigbee standards,” International Journal of Distributed Sensor Networks, vol. 13, no. 3, pp. 1–17, 2017.

Y. Tselishchev, A. Boulis, and L. Libman, “Experiences and lessons from implementing a wireless sensor network mac protocol in the castalia simulator,” in 2010 IEEE Wireless Communication and Networking Conference, April 2010, pp. 1–6.
Publicado
19/11/2019
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LINO, Miguel; VASCONCELOS, Vitor; LEÃO, Erico; SOARES, André; MONTEZ, Carlos; MORAES, Ricardo; VASQUES, Francisco. Mecanismo Eficiente para Disseminação do Tráfego de Controle em Redes de Sensores Sem Fio Cluster-Tree baseadas no IEEE 802.15.4. In: ARTIGOS COMPLETOS - SIMPÓSIO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE SISTEMAS COMPUTACIONAIS (SBESC), 9. , 2019, Natal. Anais [...]. Porto Alegre: Sociedade Brasileira de Computação, 2019 . p. 1-8. ISSN 2763-9002. DOI: https://doi.org/10.5753/sbesc_estendido.2019.8628.