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Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais RSSF Industriais Odilson T. Valle [email protected] Universiade Federeal de Santa Catarina IFSC – UFSC RSSF industriais 1 / 20

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IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio

Redes Industriais

RSSF Industriais

Odilson T. [email protected]

Universiade Federealde Santa Catarina

IFSC – UFSC RSSF industriais 1 / 20

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IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio

Redes Industriais

Sumário

1 Introdução

2 Redes de Sensores Sem FioConceitosIEEE 802.15.4

3 Redes IndustriaisEspecificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

IFSC – UFSC RSSF industriais 2 / 20

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IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio

Redes Industriais

O Futuro

RedesFuturas

Serviços Cientesdo Contexto

Domínio das Redesde Sensores Sem Fio

Futuro da Internet(fixa e móvel)

IWSN

VANETs BAN

BWSN

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Redes Industriais

ConceitosIEEE 802.15.4

Formação da Rede

IFSC – UFSC RSSF industriais 4 / 20

Fonte: Loureiro 2003

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Redes Industriais

ConceitosIEEE 802.15.4

RSSF – A Origem

Confiabilidade – ConceitoA ideia intuitiva de confiabilidade de redes pode ser entendida comoa probabilidade de uma rede continuar funcionando mesmo naocorrência de falhas nos enlaces e/ou nodos

Nodos não são confiáveis, podem“morrer” por exaustão de energiaSensores não são exatos: medidas dasgrandezas não são precisasComunicação sem fio não é confiável (?)A rede DEVE ser confiável! Como?

Domínio das Redesde Sensores Sem Fio

Rede Autônoma com alto grau de cooperação na execução detarefas: auto-configuração, auto-cura, fusão de dados . . .

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Redes Industriais

ConceitosIEEE 802.15.4

RSSF – A Origem

Confiabilidade – ConceitoA ideia intuitiva de confiabilidade de redes pode ser entendida comoa probabilidade de uma rede continuar funcionando mesmo naocorrência de falhas nos enlaces e/ou nodos

Nodos não são confiáveis, podem“morrer” por exaustão de energiaSensores não são exatos: medidas dasgrandezas não são precisasComunicação sem fio não é confiável (?)A rede DEVE ser confiável! Como?

Domínio das Redesde Sensores Sem Fio

Rede Autônoma com alto grau de cooperação na execução detarefas: auto-configuração, auto-cura, fusão de dados . . .

IFSC – UFSC RSSF industriais 5 / 20

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Redes Industriais

ConceitosIEEE 802.15.4

RSSF – A Origem

Confiabilidade – ConceitoA ideia intuitiva de confiabilidade de redes pode ser entendida comoa probabilidade de uma rede continuar funcionando mesmo naocorrência de falhas nos enlaces e/ou nodos

Nodos não são confiáveis, podem“morrer” por exaustão de energiaSensores não são exatos: medidas dasgrandezas não são precisasComunicação sem fio não é confiável (?)A rede DEVE ser confiável! Como?

Domínio das Redesde Sensores Sem Fio

Rede Autônoma com alto grau de cooperação na execução detarefas: auto-configuração, auto-cura, fusão de dados . . .

IFSC – UFSC RSSF industriais 5 / 20

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Redes Industriais

ConceitosIEEE 802.15.4

Aumentando a confiabilidade

Técnicas tradicionais para aumentar a confiabilidade na trocade pacotes, seja em redes cabeadas seja em redes sem fio:

CRC – Cyclic Redundancy Check – Descarta pacotes comindícios de erroFEC – Forward Error Correction – Envia bits redundantespara recuperar até certo nível de erros nos pacotesARQ – Automatic Repeat reQuest – Reencaminhapacotes não ou incorretamente recebidos

As técnicas podem ser complementares, dependendo do graude confiabilidade exigido pela aplicação

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Redes Industriais

ConceitosIEEE 802.15.4

Modelo de um nodo

Sistemas Embarcados:SOAplicaçãoProtocolos de comunicação

Cuidado com consumo energéticoRoteamento: múltiplos saltos⇒ sinkConfiabilidade (?)

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Redes Industriais

ConceitosIEEE 802.15.4

Modelo de um nodo

Sistemas Embarcados:SOAplicação

Protocolos de comunicaçãoCuidado com consumo energéticoRoteamento: múltiplos saltos⇒ sinkConfiabilidade (?)

IFSC – UFSC RSSF industriais 7 / 20

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Redes Industriais

ConceitosIEEE 802.15.4

Modelo de um nodo

Sistemas Embarcados:SOAplicaçãoProtocolos de comunicação

Cuidado com consumo energéticoRoteamento: múltiplos saltos⇒ sinkConfiabilidade (?)

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Redes Industriais

ConceitosIEEE 802.15.4

Modelo de um nodo

Sistemas Embarcados:SOAplicaçãoProtocolos de comunicação

Cuidado com consumo energéticoRoteamento: múltiplos saltos⇒ sinkConfiabilidade (?)

IFSC – UFSC RSSF industriais 7 / 20

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Redes Industriais

ConceitosIEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4

Padrão IEEE 802.15.4Camada física e de controle de acesso ao meio para redes sem fiopessoais com baixas taxas de transmissão (LR-WPANs)

Camada Física:Frequências(MHz)/canais: 868/0, 915/1-10, 2450/11-26Taxa de transferência: 20, 40, 100 e 250 kbps

IEEE 802.11

IEEE 802.15.4

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Redes Industriais

ConceitosIEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4

Padrão IEEE 802.15.4Camada física e de controle de acesso ao meio para redes sem fiopessoais com baixas taxas de transmissão (LR-WPANs)

Camada Física:Frequências(MHz)/canais: 868/0, 915/1-10, 2450/11-26Taxa de transferência: 20, 40, 100 e 250 kbps

IEEE 802.11

IEEE 802.15.4

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Fonte:

Bertocco2008

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Redes Industriais

ConceitosIEEE 802.15.4

MAC IEEE 802.15.4

Sem Beacon : CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Avoidance)Com Beacon:

151413121110987654321

CAP CFP

0

Beacon Beacon

Inativo

SD = aBaseSuperframeDuration x 2 SímbolosSO

BI = aBaseSuperframeDuration x 2 SímbolosBO

GTS GTS

Ativo

0 ≤ SO ≤ BO ≤ 14

15,36ms ≤ SuperframeDuration ≤ 4,2min

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IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio

Redes Industriais

ConceitosIEEE 802.15.4

Exemplos de Superquadros

BO SO BI SD Compartimento(ms) (ms) (ms) (bytes)

0 0 15,36 15,36 0,96 30

1 0 30,72 15,36 0,96 30

8 8 3932,16 3932,16 245,76 7680

14 0 251658,24 15,36 0,96 30

14 14 251658,24 251658,24 15728,64 491520

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem

Compartilhamento de recursosHeterogeneidadeGarantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real)

Confiabilidade dos equipamentos e da informação(exatidão nos dados)Conectividade e interoperabilidadeEvolutividade e flexibilidadeNetwork Control System – NCSMonitoramento – Predictive Maintenance (PdM)Redes Fieldbus

HARTISA. . .

Redes Sem Fio?

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem

Compartilhamento de recursosHeterogeneidadeGarantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real)

Confiabilidade dos equipamentos e da informação(exatidão nos dados)Conectividade e interoperabilidadeEvolutividade e flexibilidade

Network Control System – NCSMonitoramento – Predictive Maintenance (PdM)Redes Fieldbus

HARTISA. . .

Redes Sem Fio?

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem

Compartilhamento de recursosHeterogeneidadeGarantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real)

Confiabilidade dos equipamentos e da informação(exatidão nos dados)Conectividade e interoperabilidadeEvolutividade e flexibilidadeNetwork Control System – NCSMonitoramento – Predictive Maintenance (PdM)

Redes FieldbusHARTISA. . .

Redes Sem Fio?

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem

Compartilhamento de recursosHeterogeneidadeGarantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real)

Confiabilidade dos equipamentos e da informação(exatidão nos dados)Conectividade e interoperabilidadeEvolutividade e flexibilidadeNetwork Control System – NCSMonitoramento – Predictive Maintenance (PdM)Redes Fieldbus

HARTISA. . .

Redes Sem Fio?

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem

Compartilhamento de recursosHeterogeneidadeGarantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real)

Confiabilidade dos equipamentos e da informação(exatidão nos dados)Conectividade e interoperabilidadeEvolutividade e flexibilidadeNetwork Control System – NCSMonitoramento – Predictive Maintenance (PdM)Redes Fieldbus

HARTISA. . .

Redes Sem Fio?IFSC – UFSC RSSF industriais 11 / 20

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Redes Sem Fio na Industria

Transição

Coexistência de redes cabeadas e sem fio por vários anos

Problemas do meio sem fioDesvanecimentoPropagação por vários caminhosSombreamentoSegurança: captura de pacotes e/ou inserção de pacotesmaliciososInterferência, com mais intensidade na Industria:

SoldasMotores elétricosInversores de FrequênciaOutras redes sem fio . . .

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Caracterização do ruído na industria

Para facilitar o desenvolvimento de novos protocolos faz-se usode simuladores e/ou ensaios em laboratórios. Para antever ocomportamento dos mesmo na industria deve-se ter ummodelo realista dos ruídos lá presentes.

Em rajadasModelo Gilbert–ElliottBER (CRC/FEC), PER (ARQ)Altamente dependente da distância entre comunicantes

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Caracterização do ruído na industria

Para facilitar o desenvolvimento de novos protocolos faz-se usode simuladores e/ou ensaios em laboratórios. Para antever ocomportamento dos mesmo na industria deve-se ter ummodelo realista dos ruídos lá presentes.

Em rajadasModelo Gilbert–ElliottBER (CRC/FEC), PER (ARQ)Altamente dependente da distância entre comunicantes

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

RSSF Industriais

Mudança de paradigmaNodos devem ser confiáveisSensores devem ser exatosTempo Real

Periodicidade

PermaneceCuidado com consumo energéticoAlta densidade/empregabilidade⇒ nodos ainda sãobaratos quando comparados com tecnologia tradicional

RSSF IndustriaisWirelessHARTISA 100.11aIEEE 802.15.4/ZigBee – IEEE802.15.4e. . .

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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

RSSF Industriais

Mudança de paradigmaNodos devem ser confiáveisSensores devem ser exatosTempo Real

PeriodicidadePermanece

Cuidado com consumo energéticoAlta densidade/empregabilidade⇒ nodos ainda sãobaratos quando comparados com tecnologia tradicional

RSSF IndustriaisWirelessHARTISA 100.11aIEEE 802.15.4/ZigBee – IEEE802.15.4e. . .

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

RSSF Industriais

Mudança de paradigmaNodos devem ser confiáveisSensores devem ser exatosTempo Real

PeriodicidadePermanece

Cuidado com consumo energéticoAlta densidade/empregabilidade⇒ nodos ainda sãobaratos quando comparados com tecnologia tradicional

RSSF IndustriaisWirelessHARTISA 100.11aIEEE 802.15.4/ZigBee – IEEE802.15.4e. . .

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Classes de Uso - ISA

Categoria Classe Aplicação Descrição

Impo

rtân

cia

daat

ualid

ade

dam

ensa

gem

6Segurança 0 Ações emergenciais (sempre crítica)

<——

——

—–

Red

esS

emFi

o—

——

—–> 1 Circuito fechado

para controle regu-lamentar

(muitas vezes crítica)

Controle 2 Circuito fechadopara controle desupervisão

(geralmente não crítica)

3 Controle em malhaaberta

(humano na malha)

4 Alerta Consequências operacionais decurto prazo (por exemplo, a ma-nutenção baseada em eventos)

Monitoramento 5 Registro e downloa-ding/uploading

Sem consequências operacio-nais imediatas (por exemplo, co-leta de história, sequência deeventos, manutenção preventiva)

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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Diversidades

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Diversidade TemporalCada caminho em diferentes instantes de tempo tem diferentecomportamentoRetransmissão de mensagens em tempos distintos

Diversidade EspacialCada caminho percorrido por uma onda sofre diferentesatenuaçõesMIMO em RSSF é caroMúltiplos nodos fazem o papel de MIMO

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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Diversidades

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Diversidade TemporalCada caminho em diferentes instantes de tempo tem diferentecomportamentoRetransmissão de mensagens em tempos distintos

Diversidade EspacialCada caminho percorrido por uma onda sofre diferentesatenuaçõesMIMO em RSSF é caroMúltiplos nodos fazem o papel de MIMO

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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Diversidades

Diversidade em Frequência – A propagação de sinaisem diferentes frequências experimenta diferenças emreflexão, difração e espalhamento (Salto de canal –WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e)

Diversidade por Multiusuário – O aumento global dataxa de transmissão do sistema cresce com o número deusuários e com ganho na variação do canalDiversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fiode múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptorpode ser conectado por meio de múltiplos percursos narede. As propriedades desses percursos variam dediversas maneiras, tais como: comprimento do salto,largura de banda, atraso total, atraso na fila etcTécnicas podem explorar várias diversidades

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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Diversidades

Diversidade em Frequência – A propagação de sinaisem diferentes frequências experimenta diferenças emreflexão, difração e espalhamento (Salto de canal –WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e)Diversidade por Multiusuário – O aumento global dataxa de transmissão do sistema cresce com o número deusuários e com ganho na variação do canal

Diversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fiode múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptorpode ser conectado por meio de múltiplos percursos narede. As propriedades desses percursos variam dediversas maneiras, tais como: comprimento do salto,largura de banda, atraso total, atraso na fila etcTécnicas podem explorar várias diversidades

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Diversidades

Diversidade em Frequência – A propagação de sinaisem diferentes frequências experimenta diferenças emreflexão, difração e espalhamento (Salto de canal –WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e)Diversidade por Multiusuário – O aumento global dataxa de transmissão do sistema cresce com o número deusuários e com ganho na variação do canalDiversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fiode múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptorpode ser conectado por meio de múltiplos percursos narede. As propriedades desses percursos variam dediversas maneiras, tais como: comprimento do salto,largura de banda, atraso total, atraso na fila etc

Técnicas podem explorar várias diversidades

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Diversidades

Diversidade em Frequência – A propagação de sinaisem diferentes frequências experimenta diferenças emreflexão, difração e espalhamento (Salto de canal –WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e)Diversidade por Multiusuário – O aumento global dataxa de transmissão do sistema cresce com o número deusuários e com ganho na variação do canalDiversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fiode múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptorpode ser conectado por meio de múltiplos percursos narede. As propriedades desses percursos variam dediversas maneiras, tais como: comprimento do salto,largura de banda, atraso total, atraso na fila etcTécnicas podem explorar várias diversidades

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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Retransmissão em RSSF

Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial

Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?

Todos⇒ inundação na redeAlguns : qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!

Diversidade temporal?

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Retransmissão em RSSF

Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial

Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?

Todos

⇒ inundação na redeAlguns : qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!

Diversidade temporal?

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Retransmissão em RSSF

Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial

Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?

Todos⇒ inundação na rede

Alguns : qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!

Diversidade temporal?

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Retransmissão em RSSF

Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial

Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?

Todos⇒ inundação na redeAlguns

: qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!

Diversidade temporal?

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Retransmissão em RSSF

Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial

Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?

Todos⇒ inundação na redeAlguns : qual o critério?

Nodos atuadores: sem problemas energéticos!

Diversidade temporal?

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Retransmissão em RSSF

Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial

Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?

Todos⇒ inundação na redeAlguns : qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!

Diversidade temporal?

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IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio

Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Retransmissão em RSSF

Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial

Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?

Todos⇒ inundação na redeAlguns : qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!

Diversidade temporal?

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Perguntas?

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Redes Industriais

Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio

Muito Obrigado!

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