Wireless Underground Sensor Networks...

Wireless UndergroundSensor Networks (WUSN)

Seminário de Computação MóvelWellington Baltazar de Souza

Mestrando Ciência da Computação

WUSN – Agenda

1. Introdução

2. Aplicações

3. Desafios a serem Resolvidos1. Design da Topologia

2. Design da Antena

4. Canal de Comunicação Subterrâneo

5. Arquitetura de Comunicação

WUSN – Introdução Redes sem fio de Sensores Subterrâneos

Utilizados para monitorar diversas condiçõessubterrâneas, tais como propriedades do solo,substâncias tóxicas, etc;

Os dispositivos devem ser autônomos (sem fios,com todos os sensores necessários, memória,processador, antena e fonte de energia);

O deployment (implantação/instalação) deve sersimples

WUSN – Introdução … A comunicação sem fio é realizada em substância

densa tais como solo ou rocha (substancialmentemais desafiante que a transmissão de dados peloar);

Preocupação com a de enconomia de enegria(dispositivos autônomos);

Os protocolos de comunicação devem passar porajustes de design para funcionar de maneira maiseficiente possível;

WUSN – Introdução …

Sensor Subterrâneo Data Logger

WUSN – Aplicações Na Agricultura são usadas para medir diversas

condições do solo tais como: Umidade (quantidade de água) e nível de nutrientes

para a quantidade exata de irrigação e fertilização(adubação);

Medir a atividade biológica para controle de pragas edoenças (usar agrotóxicos somente quandonecessário);

Em jardins (escondidos) para controle individual deplantas (um sensor por planta) para controle deumidade e fertilidade do solo;

WUSN – Aplicações … Em campos de esporte (escondidos) tais como

futebol, golf, tênis, etc, para medir o nível decompactação do solo para garantir o crescimentosaudável da grama;

No meio ambiente, para monitorar a presença desubstâncias tóxicas no subsolo tais como chumbo,mercúrio, etc;

Medir intensidade de terremotos (acoplados comsismômetros);

WUSN – Aplicações … Para monitorar a infraestuturas subterrâneas tais como

encanamentos de água e oleodutos, gasodutos, etc;

Monitorar a saúde estrutural de pontes, prédios (ospodem ser embarcados em peças chave doscomponentes estruturais);

Medir o risco de deslizamentos e desabamentos emregião de encostas de modo a permitir a sinalizaçãoe/ou evacuação da área em tempo hábil;

Medir a qualidade do solo em minas de carvão paraevitar desabamentos, bem como para monitorar aquantidade de monóxido de carbono e outros gases quepossam causar explosão das minas;

WUSN – Aplicações … Uso em conjunto com WSN para monitoramento de

erupções vulcânicas;

Em aplicações militares, para minas anti-tanque,possibilitando uma forma de auto-desarmamentoou acionamento em campos minados;

Patrulhamento de Fronteiras para evitar imigraçãoilegal;

Monitoramento de Áreas Rurais que necessitem demaior segurança;

WUSN - Desafios Desejável que permaneçam funcionais por muitos

anos. A vida útil depende da fonte de energia, poisdevem ser auto-contidos (auto-suficientes);

Requer maior potência que os sensores desuperfície, assim a conservação de energia deveser a preocupação primária de design;

Manutenção e substituição de equipamentos émais difícil que os sensores de superfície, tornandoa substituição da fonte de energia mais custosa ouimpossível;

WUSN – Desafios … Não é possível o uso de células solares como no

caso dos sensores de superfície para fornecerenergia;

Existem algumas opções de fontes alternativas deenergia, como por exemplo abalos sísmicos,variação da temperatura da terra;

Problema: normalmente não fornecem a energiasuficiente para o funcionamento dos dispositivosde maneira satisfatória;

WUSN – Desafios …

Existem pesquisas para chegar ao estado da artena geração de energia em meios não convecionais(solo, rocha);

Os autores descrevem como obter energia a partirdo sinal de rádio, conversão termoelétrica, evibração/excitação do meio;

WUSN - Desafios … A principal preocupação para garantir maior vida

útil para estes dispositivos é a fonte de eneriga;

Se o equipamento for implantado com uma cargade energia considerável, e com suporte paraaproveitar fontes alternativas de energia melhorariabastante a vida útil do equipamento

Mas, não é desejável, pois aumentaria o tamanho eos custos do equipamento;

O Design da Topologia O design da topologia da rede também é um fator

crítico, pois deve ser projetado para consumirpouca energia, levando em conta o esforço deimplantação (dificuldade de escavação,profunidade);

Topologias tridimensionais serão bastante comuns,com dispositivos implantados em diferentesprofundidades dependendo das necessidades desensores da aplicação;

O Design da Topologia … A aplicação terá um papel muito importante no

design da topologia, entretanto, a minimização douso de energia e o custo de implantação tambémdeverão ser considerados;

Para encontrar um ponto ótimo na topologia seránecessário balancear estas variáveis;

O Design da Topologia … A quantidade de sensores e profundidade de

implantação vai depender do tipo de aplicação;

Aplicações de segurança (monitoramento)necessitam de uma concentração maior desensores;

Aplicações para monitoramento das condições dosolo não necessitam de grande precisão parapequenas áreas, assim, podem ser implantadosmais dispersos;

O Design da Topologia … A economia de energia pode ser alcançada com um

design inteligente da topologia, pois a atenuaçãode sinal é proporcional à distância entre otransmissor e o receptor;

Uma topologia com maior concentração desensores irá incrementar a quantidade de saltos,mas de pequena distância, ao passo que sensoresdispersos necessitarão realizar grandes saltos;

O Design da Topologia … O custo de implantação dos sensores subterrâneos

são muito acima dos sensores de superfície, poisenvolvem escavações;

Além disso, envolve um custo adicional quandoacaba a fonte de energia, envolvendo troca debaterias ou do dispositivo (sensor);

O fator custo de implantação indica que devemosminimizar a quantidade e profundidade deimplantação. No entanto devemos estabelecer umtrade-off com a estratégia de aumentar adensidade de sensores para economia de energia;

.

O Design da Topologia … Com as considerações já vistas em mente,

podemos sugerir duas topologias para WUSN;

Topologia Subterrânea

O Design da Topologia …

Topologia Híbrida

O Design da Topologia … A topologia híbrida é um mix de sensores

subterrâneos, repetidores (opcional) e surface sinkfixo ou móvel.

Os sinais podem ser propagados pelo ar,diminuindo as perdas através do solo, pois diminuia quantidade de hops necessários na redesubterrânea;

Ocorre menor desperdício de energia paratransmissão de dados comparando com topologiasubterrânea;

O Design da Antena Requisitos Variáveis: Dependendo do tipo do

dispositivo a comunicação pode variar depropósito. Nesse sentido, requer antenas comdiferentes características.

Dispositivos mais próximos à superfície irão agircomo transmissores dos dispositivos maisprofundos para a superfície;

Os sensores implantados com maioresprofundidades precisam agir como repetidorestanto na direção vertical como na horizontal;

O Design da Antena O tamanho da antena pode variar dependendo da

frequência em MHz. Baixas frequências necessitamde uma antena maior para transmitir os dados demaneira eficiente.

Ex: 100 MHz necessita de uma antena de 0,75m(quarter-wavelength)

Claramente este é um desafio para as Redes semfio subterrâneas se precisarmos manter osdispositivos pequenos;

O Design da Antena Orientação da Direção: Futuras pesquisas deverão

se identificar se é mais adequado utilizar umaantena multi-direcional ou um grupo de antenasdirecionais independentes para dispositivos WUSN.

A comunicação com uma única antena multi-direcional provavelmente será um desafio, pois osdispositivos poderão ser implantados em diferentesprofundidades e a experiência ainda é nula decomo será a radiação em cada extremidade;

Isto implica que com uma orientação vertical osdispositivos devem ser emparelhados (vertical ehorizontalmente);

Ambiente Hostil O ambiente subterrâneo está longe de ser um local

ideal para dispositivos eltrônicos: Água,temperaturas extremas, animais, insetos eescavações;

Os dispositivos devem resistir a todos estesfatores, além disso devem ser pequenos;

A tecnologia para fornecimento de energia deve serescolhida cuidadosamente levando em conta asvariações de temperatura no ambiente daimplantação e balanceando tudo isso com otamanho ideal (pequeno se possível);

O Canal deComunicação Subterrâneo

O canal de comunicação é um dos fatores quetornam o uso de Rede sem fio Subterrâneas umdesafio;

Emobra a comunicação digital subterrânea pareçaser inexplorada, a propagação de ondas EM no soloe rocha tem sido estudada extensivamente porradares longo alcance;

Nesta sessão teremos um overview descrevendo aspropiedados do canal eletromagnético subterrâneo,os efeitos das propriedades do solo sobre estecanal;

Propriedades docanal Subterrâneo

Embora haja estudos da propagação de ondaseletromagnética, um modelo compreensivo decanal subterrâneo ainda não existe;

Foram identificados 5 principais fatores que podemtrazer impactos nas ondas EM da comunicaçãosubterranea: Grande perda de sinal (composiçao do solo)

Reflexão e Refração (divisa entre solo e ar)

Multi-Path fading (dispersão >> próximo superfície)

Velocidade de Propagação reduzida (comparando ar)

Ruído (linha elétrica, luz, motores elétricos, etc);


A composição do solo incluindo água, tamanho daspartículas, densidade temperatura, tudo combinapara formar uma constante dielétrica X;

Este parâmetro afeta direatamente a atenuação dequalquer sinal eletromagnético passando pelo solo;

A água no solo é de longe o parâmetro maissignificante a ser considerado quando se fala emperda de sinal através do solo


Os solos são classificados pelo diâmetro daspartículas. Solos arenosos produzem menoresperdas que os argilosos;

Solos densos também autmentam as perdas poratenuação.

Aumentando a temperatura do solo também farácom que ocorra maior perda de sinal;

Alternativas de tecnologiaspara a camada física

Uma possível alternativa às ondas EM paracomunicação subterrânea é a Indução Magnética(IM), podendo trazer diversos beneficios:

Mídias densas como por exemplo o solo e a águacausam pouca variação na taxa de atenuação decampos magnéticos (contrário do que ocorre no ar)

Detectores de presença podem acionar qualquerreceptor ativo via carga induzida de uma bobina;

IM resolve o problema de design da antena, pois atransmissão e recepção podem ser feitos por umabobina;

Alternativas de tecnologiaspara a camada física

Outra alternativa para as ondas EM são as ondassísmicas. A comunicação via ondas sísmicas foidemonstrada com sucesso tanto em solo como emrocha em distâncias de ~ 1 Km;

Problemas: Frequências de ondas sísmicas podemafetar o ar, e gerar ondas sísmicas gasta muitaenergia;

Arquitetura deComunicação


A camada física de comunicação representa umdesafio importante para WUSNs, pois propagarondas através do solo causa muitas perdas,principalmente em solos contendo água;

Outro desafio importante é o uso de uma antenaeficiente, que consiga receber e transmitir dadosem um meio como o solo;

Indução Magnética e Ondas Sísmicas podemajudar a criar uma camada física combinando como que já existe;

Falta mais pesquisas …


Os protocolos MAC existentes para a Camada DataLink são inadequados, estes protocolos foramprojetados para uso em redes sem fio terrestres.

Para melhorar a vida útil dos dispositivos, onúmero de transmissões deve ser minimizado;

Colisões causam retransmissões, assim o uso deum protocolo RTS/CTS introduz um overheadmuito alto;

O esquema baseado em TDMA para eliminar ascolisões criam um timeslot, mas também tem umoverhead alto para as WUSN;


Os sensores irão notificar dados com poucafrequência, assim podem operar com baixoconsumo de energia, mas grandes períodos detempo de inatividade pode prejudicar osincronismo da rede;

Por natureza estes dispositivos possuem restriçõescom o consumo de energia, no entanto ocorremaltas taxas de erros na transmissão de dados;

No entanto, a retrasmissão de pacotes podeintroduzir overhead com os acknowledgements.

>> é preciso mais pesquisas …


Os protocolos de Redes Ad-hoc geralmente sedividem em três categorias: Proativas (overhead de sinais para manter rotas)

Reativas (overhead de sinais para manter rotas)

Geográficas (mais apropriada para WUSN,coordenadas já são conhecidas)

Em uma rede híbrida, o consumo de energia podeser melhor aproveitado;

Pesquisar >> maximizar a economia de enrgia …


Na Camada de transporte, com as altas taxas deperda o canal é necessário re-examina-la;

O objetivo principal é salvar os recursos escassos dosensor e melhorar a eficiência da rede;

Um bom protocolo de transporte deverá ser capaz deidentificar corretamente eventos do sensor na rede;

Controle de congestionamento, controle de fluxo,tudo isso com recursos de memória limitados paratransmissão de dados;

A maioria das implementações de TCP sãoinadequados para as WUSN, pois o controle de fluxoé baseado em um mecanismo de janela;


Não utilizando um mecanismo baseado em janelas,mas ainda ter um controle de mensagens quepode se adaptar a taxa de transmissao;

Pesquisas em aberto para encontrar alternativaspara a camada de transporte;

Por enquanto é só!!!

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