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Eleição de Clusters Heads em Roteamento Hierárquico para Redes de Sensores sem Fio
INF2056 - Algoritmos Distribuídos
Juliana França Santos Aquinojuliana@lac.inf.puc-rio.br
18 de junho de 2007
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Roteiro
Redes de sensores sem fio (RSSF) Aplicação Componentes
Técnicas de roteamento em RSSF Roteamento plano Roteamento hierárquico
Roteamento hierárquico LEACH CODA
Análise Considerações Finais
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Redes de Sensores sem Fio
Rede ad hoc
Composta por nós sensores
Realizam sensoriamento distribuído
Aquisição de dados ambientais
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Áreas de aplicação
Aplicações ambientais
Aplicações domésticas
Aplicações na área de saúde
Aplicações militares
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Limitações dos nós sensores
Restrições de energia, de processamento e de capacidade de armazenamento
Necessidade de técnicas para aumentar o tempo de vida útil da RSSF
Camada de rede – métodos para roteamentoeficiente
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Roteamento
Levar em consideração as características intrísecas de RSSFs
Classificação dos protocolos de roteamento Planos
Hierárquicos
Híbrido
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Roteamento Plano
Nós sensores iguais em funcionalidade
Realizam a mesma tarefa
Não há hierarquia
Estação base
Nós sensores
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Roteamento Hierárquico
Métodos baseados em clusters
Nós com funcionalidades diferentes (clusters heads)
Aumenta o tempo de vida útil da RSSF
Clusters head
Estação Base
Demais sensores
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Desafios de Roteamento
Distribuição dos nós sensores
Topologia dinâmica
Rede com elementos heterogêneos
Tolerância a falhas
Escalabilidade
Cobertura
Agregação de dados
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Energy-EfficientCommunication Protocol for Wireless Microsensor Networks
Wendi Rabiner Heinzelman, Anantha Chandrakasan e Hari Balakrishnan
Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences, 2000
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LEACH
Protocolo auto-organizável, adaptativo e clusterizado
Seleção e rotatividade de clusters-heads(CHs) entre os nós sensores da rede (coordenador em algoritmo de eleição)
CHs realizam agregação de dados
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Fases do LEACH
LEACH pode ser dividido em duas fases: Fase de configuração
Fase de estado pronto
Configuração: Clusters são organizados e os CHs são
selecionados
Considera a quantidade de energia existente em cada nó
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Eleição de Clusters Heads (1)
Fase de configuração: Um número pré-determinado de nós, p, eleje-se como
possível cluster-head
Escolhe-se um número entre 0 e 1
Se o número gerado for menor que T(n), então o nó se tornará um líder
, se n pertence a G (1/P)
T(n) = 0, caso contrário
)1
mod(1)(
PrP
PnT
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Eleição de Clusters Heads (2)
Os nós que são líderes no round 0 não podem ser líderes nos próximos 1/p rounds
Após um nó se eleger um líder, ele faz um broadcast da mensagem informando este fato
Cada nó não-líder decide a que grupo irá se associar baseado no quão forte o sinal do CH érecebido
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Eleição de Clusters Heads (3)
Depois que o nó decidiu a qual cluster vai pertencer, ele informa ao líder que ele será um membro do grupo
Baseado no número de nós no grupo, o líder cria uma agenda TDMA informando a cada nó quando ele pode transmitir
Assim que os grupos são criados e a agenda étransmitida, a fase de estado pronto recomeça
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Restrições do LEACH
Não é óbvio qual é o número de clusters heads que otimiza o tempo de vida útil da rede – Problema NP-hard
Há a possibilidade de CHs ficarem concentrados em uma parte da rede, portanto, alguns nós não terão CHs em sua área
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Distributed Clustering for Wireless Sensor Networks
SangHak Lee, KyungSun Ham e ChangWon Park
IEEE International Symposium on Communications and Information Technologies, 2006.
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Objetivo
Dividir a rede em clusters de uma forma distribuída
Balancear energia da rede
Minimizar overhead de clusterização
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CODA
Cluster-based self-Organizing Data Aggregation
Premissas: Todos os nós estão sincronizados
Intervalos periódicos
Parâmetros para selecionar um CH: Energia remanescente dos nós Distância entre os nós no cluster Número de nós em um cluster
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Fases do CODA
Divido em três fases: 1ª - Init: Elege candidatos a clusters heads
baseado na energia remanescente e no custo mínimo de distância dentro do cluster
2ª - Merge: Une clusters cujos membros estão abaixo de um valor Merge
3ª - Partition: Particiona clusters que possui membros acima de um valor Partition
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Fase Init (1)
1. Cada nó elege-se como candidato a CH com uma probabilidade Pi(t)
2. Quando há N nós na rede:
Elege-se candidato a CH se Pi(t) está acima de um número sorteado entre [0, 1]
cN
n
tEj
tEtP n
iNjj
ii
))((1
)(
)()(
Energia remanescente do nó i
Número de vizinhos
Número de nós da rede
Número de clustersesperado
Somatório da energia dos
nós vizinhos a i
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Fase Init (2)
3. Se um nó ordinário não recebe qualquer mensagem de anúncio, ele se torna um CH
4. Cada candidato a CH calcula o custo intra-cluster de cada nó vizinho membro como:
5. Um candidato a CH promove o nó com menor custo se a energia remanescente está acima da média do cluster
)(
22 )()(__jClusterk
kikij yyxxCostClusterIntra
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Fases Merge e Partition
A eleição probabilística não garante o número esperado de clusters e nem uma boa distribuição desses clusters
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Receive ACK_MERGE
Merge
Send REQ_MERGE
Send REQ_CH_MERGE
CH_CANDIDATE := FALSE
Exit Merge
Pi(t) := 0.5
CH_CANDIDATE := FALSE
[|Cluster(i)]| >=ThreshUpper
[|Cluster(i)]| <ThreshUpper
[não recebe qualquer cluster vizinho]
[tem membros]
[não tem membros]
[Pi(t) > random(0, 1)]
[Pi(t) <= random(0, 1)]
Procedimento Merge
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Fase Partition
O candidato a CH escolhe um candidato adicional dentro do seu próprio cluster
A função de eleição é:
||)()(||min)(
jClusteriClusterCHiclusterj
PART
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Procedimento Partition
FindBestPartitioner
Send PROMOTE_CH_CANDIDATE
Partition
Exit Partition
[|Cluster(i)]| <=ThreshUpper
[|Cluster(i)]| >ThreshUpper
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CODA
Cluster-based self-Organizing Data Aggregation
Requerimentos do algoritmo: Clusterização é realizada de forma distribuída. Cada nó toma
sua decisão baseado em informações locais.
A clusterização termina dentro de um número fixo de iterações. O processo de partição termina na ordem de O(log2k), onde k é o número de nós do clusters.
Após a clusterização, cada nó é eleito um cluster-head ou um nósensor comum.
Clusters heads são bem distribuídos sobre toda a rede.
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Considerações Finais
Embora CODA possua uma maior complexidade de implementação e troca de mensagens, ele apresenta tempo médio de vida superior ao LEACH
LEACH distribui a carga de CH entre todos os nós da rede, mas ele permite que regiões possam ficar sem CH, aumentando o número de mensagens à estação base
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Referências Bibliográficas
JAMAL N. AL-KARAKI e AHMED E. KAMAL. ROUTING TECHNIQUES IN WIRELESS SENSOR NETWORKS: A SURVEY. IEEE WIRELESS COMMUNICATIONS, DECEMBER 2004.
W. HEINZELMAN, A. CHANDRAKASAN e H. BALAKRISHNAN. ENERGY-EFFICIENT COMMUNICATION PROTOCOL FOR WIRELESS MICROSENSOR NETWORKS. PROC. 33RD HAWAII INT’L. CONF. SYS. SCI. JAN. 2000.
SANGHAK LEE, KYUNGSUN HAM e CHANGWON PARK. DISTRIBUTED CLUSTERING FOR WIRELESS SENSOR NETWORKS. INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON COMMUNICATIONS AND INFORMATION TECHNOLOGIES, 2006.
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