Para abordar sobre Protocolos de Roteamento para Redes de Sensores Sem Fio se faz necessária uma breve introdução sobre o que são Redes de Sensores Sem Fio para que assim fique mais clarificado o papel e importância dos Protocolos de Roteamento.

O que são Redes de Sensores Sem Fio?

As Redes de Sensores Sem Fio (RSSF/WSN - Wireless Sensor Network) têm sido centro de atenção da pesquisa acadêmica nos últimos anos e são compostas por sensores autônomos distribuídos no espaço como um grande número de nós computacionais para fins de monitoramento de condições físicas ou ambientais, como temperatura, som e pressão, de forma a encaminhar as informações coletadas para um destino por meio da infraestrutura de rede. Uma vez que os nós sensores são dispositivos com restrição energética, a importância de protocolos de roteamento com eficiência de energia é uma preocupação emergente. A fim de mitigar o consumo energético, recentemente, diversos protocolos de roteamento foram propostos. Podemos ver por meio da Figura 1 abaixo, um exemplo de arquitetura de Protocolo de Roteamento de RSSF.

Figura 1: Arquitetura de Protocolo de Roteamento de Redes Sem Fio. [1]

O principal motivador por trás da maioria dos esforços de pesquisa no campo das RSSFs é devido estas auxiliarem em uma grande parte dos problemas da vida real, como segurança, assistência médica e setor de defesa. Dentro deste contexto, uma série de direções de pesquisa estão disponíveis, incluindo design corporal, estratégia de roteamento, procedimentos para gerenciamento de energia, questões de segurança e capacidade de detecção dos nós sensores.

O roteamento em RSSF têm suas particularidades derivadas de propriedades exclusivas do nó sensor, como restrições de transmissão de energia, realizações de processamento, informações coletadas de vários nós para uma única estação base, improbabilidade de endereço global e implantação aleatória de nós sensores, assim como outros. Para acomodar essas inúmeras características, diferentes tipos de protocolos de roteamento foram desenvolvidos, veja a figura 2, com o objetivo de alcançar a eficiência energética e maximizar a vida útil geral da rede.

Figura 2: Desenvolvimento de Protocolos de Roteamento de Redes Sem Fio ao longo dos anos. [1]

Estes protocolos desempenham um papel significativo nas RSSF, pois, graças a eles, os nós são auto-organizados e os pacotes são entregues por rotas ótimas de acordo com os algoritmos declarados no protocolo utilizado na rede. Com o auxílio de protocolos de roteamento, é possível otimizar o uso dos recursos da rede de sensores, como consumo de energia, uso de tempo de processador, memória, etc., com isso o uso de protocolos de roteamento eficientes permite maximizar a vida útil da rede como um todo. Esse fato é de grande importância para a RSSF, pois os nós são autônomos e o tempo de vida da rede é definido como o tempo desde o início de sua operação até o momento em que o primeiro nó falha. E na maioria dos casos, a falha dos nós da rede é devido ao esgotamento da fonte de energia.

Para garantir o funcionamento ininterrupto de qualquer rede, e de RSSFs em particular, é necessário escolher o protocolo de roteamento correto e tal escolha não apenas garantirá o desempenho da rede, mas também aumentará sua tolerância a falhas, reduzirá os custos de implantação e manutenção e proporcionará uma comunicação mais estável. Este trabalho acadêmico fornecerá uma visão geral de vários protocolos populares usados ​​em RSSF, destacando seus pontos fortes e fracos.

• Características gerais

  As características gerais das redes de sensores sem fio dependem de sua aplicação, porém podemos citar algumas, como limitação de energia disponível, agregação dos dados (capacidade da rede de agregar dados), restrições dos dados coletados (por exemplo, tempo de expiração ou validade), quantidade e mobilidade dos sensores (quantidade necessária para que o sistema funcione, altamente relacionado a escalabilidade e se é possível mover o sistema) e endereçamento dos sensores ou nodos (necessidade ou não de identificação de cada sensor do sistema).

• Eficiência energética

  Como já foi abordado e será mais trabalhado ao longo deste trabalho, a eficiência energética é um importante ponto das Redes de Sensores Sem Fio pois os nós possuem baixa reserva de energia e dependendo do local de implementação do sistema podem existir dificuldades relacionadas à troca de bateria ou dos próprios dispositivos. Além disso, o tempo de vida útil da rede é medido do início do sistema até que um nó falhe, ou seja, a eficiência energética amplifica o tempo de vida útil de toda a rede. Portanto, protocolos de roteamento que possibilitem uma eficiência energética devem ser prioridade ao lidar com RSSFs.

• Topologia

  Uma topologia de rede é o posicionamento ao qual se organiza os elementos de uma rede de comunicação, no caso de uma Rede de Sensores Sem Fio existem três topologias que são mais usadas: estrela, árvore (star/router) e malha (mesh). Na topologia de estrela cada nó transmite diretamente para um gateway ou receptor, já na árvore há a possibilidade de cada nó se comunicar com os nós roteadores até que os dados cheguem no gateway e na de malha há redundância das rotas de comunicação, permitindo que cada nó possa se comunicar com os outros.

Podemos dizer que os nodos sensores são dispositivos autônomos os quais possuem em suas arquiteturas a capacidade de sensoriamento, processamento e comunicação. Estes referidos nodos quando dispostos em rede ad hoc, pode-se dizer que trata-se de uma rede de sensores. Estes nodos captam os dados pelos sensores, os processa localmente ou junto a nodos vizinhos e envia as informações diretamente para o usuário ou, como é de mais costume, para um data sink. Dessa forma, fica clara uma coisa: um nodo na rede tem fundamentalmente tarefas distintas; isto é, sensoriamento do local, processamento de informação e também responsabilidades relacionadas com a veiculação em um esquema de retransmissão multi-hop, tal como é possível ver abaixo na figura 3.

Figura 3: Esquema de retransmissão multi-hop. [16]

Atualmente, os sensores possuem dimensões não maiores que um dedo humano, podendo até mesmo possuir comprimento da ordem de centímetros, porém os tamanhos também podem variar e ser da grossura de um punho fechado, tal como podemos ver abaixo na figura 4.

Figura 4: Tamanhos diversificados de sensores. [17]

É por meio de nodos conhecidos como gateways, "porta de entrada" em português, que são feitas conexões das RSSF com outras redes. Antes de alcançar o gateway, os dados transitam na rede. Só então tais dados são encaminhados por uma rede, tal como a Internet, por exemplo, até um destino final em que é executado um programa com os dados de origem. É possível ver de forma simplificada em um esquema abaixo na figura 5, a qual exemplifica uma RSSF qualquer conectada a uma rede não móvel por meio de um gateway.

Figura 5: Conexão através de gateway. [18]

Já a figura 6 nos mostra de forma ilustrativa uma RSSF a qual possui um nodo sink e um gateway de forma que fica clara a pluralidade de componentes.

Figura 6: Nodo e Gateway. [19]

Os transdutores, os quais nos referimos como sensores e atuadores, têm papel de grande importância e aplicabilidade em vários contextos. Tal fato tem gerado uma forte motivação para o desenvolvimento de vários tipos de transdutores em que não há facilidade de interconexão de forma eficaz e barata. Atualmente, existem diversas soluções de sensores os quais possuem vantagens/desvantagens, visto que depende-se apenas do emprego de cada sensor para um determinado fim. Nesse contexto, uma solução existente é utilizar comunicação digital entre os transdutores os quais possuem um microprocessador que trata os dados da transmissão. Esse procedimento pode ser realizado de muitas maneiras uma vez que existem distintos protocolos de comunicação para as camadas de enlace e também para a física. Dessa forma, portanto, é viável desenvolver transdutores para lidar com diferentes protocolos de comunicação. Todavia, de forma sensata, é possível dizer que esta não é uma solução possível, por conta das eventuais quantidades de permutações existentes. Resultante disso foi o surgimento do padrão IEEE 1451 como proposta para resolver este problema. Este padrão configura uma interface de comunicação para transdutores e podemos vê-lo na figura 7.

Figura 7: Padrão IEEE 1451. [20]

As RSSFs são amplamente utilizadas em diversas aplicações na vida de uma grande cidade e em nosso cotidiano no geral. Devido à sua relação custo-benefício e rápida implantação, as RSSFs podem ser usadas para proteger cidades inteligentes, fornecendo monitoramento e detecção de eventos naturais em lugares remotos para muitos cenários críticos, incluindo ambientes hostis, áreas de guerra ou áreas sujeitas a desastres naturais, como terremotos, vulcões em erupções e inundações ou a acidentes de grande escala, como explosões de usinas nucleares. Não obstante, podemos ver as redes de sensores sendo implementadas em diversas outras áreas. O aparecimento das redes sem fio abriu o caminho para a realização de novas infraestruturas e aplicações para cidades inteligentes.

Aplicações ambientais que exigem monitoramento contínuo das condições ambientais em áreas hostis e remotas podem ser aprimoradas com a utilização de RSSFs.

Na era da tecnologia, a área científica médica enfrenta vários desafios, tais como: custos menores, acometimento de erros médicos, médicos e profissionais da área de saúde mal formados e envelhecimento da população. Os profissionais de saúde estão sob pressão para fornecer melhores serviços apesar dos desafios e fundir em seus trabalhos os avanços tecnológicos. As redes de sensores sem fio fornecem soluções eficientes para o sistema de saúde de forma síncrona. As RSSFs para saúde surgiram nos últimos anos devido aos avanços em sensores médicos e redes de baixa potência e é possível dizer que atualmente esta são componentes significativos da próxima nos serviços de saúde. As RSSFs são baseadas geralmente em Zigbee multi-hop que usam broadcast ou multicast para fornecer informações vitais. A principal característica desse sistema é a entrega rápida e confiável dos dados colidos, fato indispensável quando se trata de sistemas sem tolerância de latência na rede.

As RSSFs são usadas com fins de monitoramento de um paciente em um hospital ou em casa, independentemente da localização do paciente. O sistema de monitoramento é corriqueiramente necessário para monitorar constantemente um parâmetro vital do paciente, como pressão arterial, frequência cardíaca e temperatura corporal. Sensores e os dispositivos de localização podem ser usados para rastrear tanto o profissional de saúde quanto o paciente. Devido ao fato do sistema ser sem fio, não é necessário que o paciente fique limitado em questões de mobilidade.

São responsáveis por captarem informações de saúde just-in-time de sensores diferentes. Características importantes dessas redes incluem protocolos de comunicação sem fio, bandas de frequência, largura de banda de dados, criptografia, consumo de energia e mobilidade. Um exemplo de rede corporal sem fio é ilustrada na figura 8 abaixo. O design dos sensores portáteis permite que o usuário monitore continuamente os dados fisiológicos auxiliados por RSSFs sendo assim útil para casos de emergência, onde envia dados sobre a saúde do paciente para um profissional de saúde. Também pode ajudar as pessoas fornecendo serviços de saúde, como aprimoramento de memória, acesso a dados médicos, detecção de câncer e monitoramento de glicose no sangue.

Figura 8: Exemplo de Rede Corporal Sem Fio. [21]

A telemedicina (ou teleassistência) é uma abordagem médica que permite o trabalho clínico a ser realizado usando tecnologia de informação e comunicação. A telemedicina usando RSSF recentemente tornou-se uma tendência na área da saúde, principalmente após a pandemia do COVID-19. Por meio desta, torna-se possível atendimentos médico remotos. Não obstante, o uso da telemedicina reduz o custo total dos cuidados de saúde, tornando a saúde mais acessível a todos.

As RSSFs surgiram como uma ferramenta ótima para fins militares envolvendo detecção de inimigos, vários monitoramento de parâmetros, coleta de informações e, suporte de logística inteligente. Essas redes podem fornecer diferentes serviços para as forças armadas de uma região e dar assistência na vigilância no campo de batalha, auxiliando na detecção de ataques. Dados os recursos possíveis de serem entregues just-in-time, as RSSFs desempenham um papel importante na operações. Estas redes oferecem diversas vantagens sobre os sensores tradicionais, como tolerância a falhas, robustez e por terem custos reduzidos.

IEEE 802.11 é o nome técnico do Wi-Fi que, basicamente, é um protocolo que estabelece uma tecnologia de Rede de Área Local Sem Fio (WLAN), permite que os dados sejam transferidos para os dispositivos de um roteador, atua na camada física e tem como núcleo o Ponto de Acesso, estação base que se comunica com os dispositivos compatíveis com Wi-Fi. Existem dois tipos primordiais da rede Wi-Fi, a baseada em Rede de Área Local (LAN) e a Ad Hoc. A baseada em LAN é a mais comum usada nas residências, podendo ser com ou sem fio, e a Ad Hoc é formada por computadores e periféricos reunidos em uma estrutura em que um periférico é o “mestre” e os demais são “escravos”, tem como principal função ser usada com usuários que precisam compartilhar dados entre si e é amplamente usada em controladores e console de jogos. Por ter alto consumo energético, o protocolo Wi-Fi é pouco usado em Redes de Sensores Sem Fio, por mais que tenha extensa faixa de frequência.

Bluetooth, cujo nome é em homenagem ao rei da Noruega e Dinamarca, Harold Bluetooth, que unificou as tribos de seu país, consiste em uma tecnologia no qual o objetivo é semelhante ao de Harold, unificar tecnologias diferentes e é, basicamente, uma especificação industrial para conectividade de curto alcance para dispositivos portáteis. A pilha de protocolos Bluetooth tem arquitetura semelhante a outros protocolos de comunicação de dados, por exemplo, TCP IP, e isso é notório levando em consideração que aplicações remotas devem ser executadas em pilhas para que se obtenha uma interoperabilidade universal. Com isso, no Bluetooth, os dados são transferidos em pacotes que são empacotados/desempacotados no mesmo nível de pilha. As camadas fundamentais da pilha de protocolos Bluetooth são esquematizadas na figura abaixo.

Figura 9: Pilha de protocolo Bluetooth. [22]

O ZigBee é um padrão de protocolo para comunicações sem fio de curto alcance, assim como o Bluetooth e o Wi-Fi, que surgiu com o propósito de oferecer conectividade de baixo custo e mitigar o consumo de energia para equipamentos que precisam de uma bateria de longa duração, mas não exigem taxas de transferência de dados tão altas quanto as habilitadas por Bluetooth - IEEE 802.15.1. ZigBee também pode ser implementado em redes maiores do que é possível com Bluetooth. Dispositivos Wireless compatíveis com ZigBee operam em rádio frequência não licenciada em todo o mundo (868 MHz Europa, 915 MHz Américas ou 2,4 GHz global).

Comparado com outros padrões de protocolo, a pilha ZigBee, ilustrada na figura 10, oferece uma solução de aplicação prática em consonância com características de baixa taxa, baixo custo e baixo consumo de energia para as RSSFs. A quantidade de dados do sensor e comandos de controle no espaço inteligente orientados aos robôs de serviço doméstico são pequenos, portanto, as RSSFs requerem uma pequena taxa de transmissão.

As redes sem fio ZigBee consistem em três funções: um coordenador, vários dispositivos finais e roteadores. O coordenador é um FFD especial (Full Function Device) responsável por criar e manter todo o ZigBee PAN (Rede de Área Pessoal). Durante a fase de inicialização da rede, o coordenador varre os canais de rádio disponíveis para encontrar o canal mais adequado. Normalmente, este será o canal com menos atividade. O coordenador pode ser pré-programado com o PAN ID (Personal Area Network Identifier) ​ ou escanear dinamicamente os PAN IDs de rede existentes na mesma frequência e gerar um PAN ID sem conflitos. Após a fase de inicialização do coordenador, o coordenador aguarda as solicitações dos dispositivos ZigBee para ingressar na rede. O dispositivo final pode ser um FFD ou RFD (Dispositivo de Função de Redução). Um FFD pode atuar como qualquer uma das três funções, enquanto um RFD pode atuar apenas como o dispositivo final. Durante a inicialização, os dispositivos finais procuram canais disponíveis para identificar a rede diferenciada por seu PAN ID e as solicitações são enviadas ao coordenador da rede que desejam ingressar. O roteador é um dispositivo opcional para ZigBee que pode ser necessário em alguma configuração de rede especial.

Figura 10: Estrutura da pilha de protocolo do ZigBee. [23]

Não obstante, a topologia das RSSFs baseadas em ZigBee incluem Rede em Estrela Simples, Rede Mesh Confiável e Rede Mesh-Tree de Grande Escala. A Figura 11 ilustra as três estruturas de topologia das RSSFs baseadas neste protocolo.

Figura 11: Estrutura da topologia ZigBee das RSSFs. [24]

Com o advento da evolução das RSSFs, os cientistas obtiveram maior facilidade para observar e entender fenômenos do mundo real em larga escala. Sua aplicação em países subdesenvolvidos é bastante interessante, ao passo que torna-se possível a resolução de problemas que afetam as comunidades. Uma das limitações dos sensores sem fio atuais é o alcance de comunicação, com a maioria dos dispositivos tendo em torno de 100 metros como alcance máximo. Fato é que muitas aplicações requerem RSSFs de longo alcance onde os nós são separados por grandes distâncias, dando a vantagem de poder monitorar uma grande área geográfica e fornecendo suporte para coleta de dados confiável e econômica de locais remotos e robustos.

Atualmente, o Los Alamos National Laboratory já produzem dispositivos no qual há comunicação entre nodos de sensores em até 39,8 km a 414 Mhz, em que definem uma LDWSN como "um sistema pronto para uso composto por nós resistentes à temperatura, implantáveis em campo, que criam uma rede autoformada e autorrecuperável que se comunica por meio de radiofrequência de baixa potência em uma vasta área e possui capacidade de computação científica em os nós sensores. Os nós mestres podem ser conectados ao servidor via satélite para que as redes possam coletar e transmitir dados de qualquer local da Terra".

Figura 12: Dispositivo que permite uma LDWSN. [26]

Leach é um protocolo de Hierarquia de Clustering Adaptável de Baixa Energia cujo objetivo principal das RSSFs baseadas em cluster é diminuir/retardar o consumo de energia de forma a aumentar a eficiência energética e reduzir as transmissões para a estação base. Esse protocolo é o primeiro protocolo de roteamento hierárquico que propôs a fusão de dados e estratégias de roteamento e questões de segurança são grandes desafios de pesquisa. Nesse sentido, diversas melhorias podem ser feitas nas RSSFs por meio deste protocolo e o proporcionamento de uma prolongação da vida útil da rede é um dos seus principais benefícios.

No protocolo Leach, as RSSFs formam um subconjunto de redes Ad-hoc, que, por sua vez, se constituem como sensores autônomos especialmente distribuídos para monitorar cooperativamente condições físicas ou ambientais como temperatura, som, vibração, pressão e movimento, como já discutido.

A operação do protocolo Leach consiste em várias rodadas com duas fases em cada, a fase de configuração e a fase estável. Esta é a representação típica do protocolo de roteamento hierárquico, porém tal é auto-adaptável e auto-organizado. Além disso, o Leach usa cada rodada como unidade, ao passo que cada uma é composta de estágio de configuração de cluster e armazenamento de estado estável com a finalidade de reduzir custos desnecessários de energia.

O protocolo TCP/IP é certamente um sucesso em Redes Com Fio. Contudo, este é frequentemente considerado inadequado para as RSSFs. Todavia, as redes de sensores baseadas em TCP/IP têm a vantagem de poderem se comunicar diretamente com uma infraestrutura constituída por uma rede IP com fios ou por tecnologia sem fios baseada em IP, como o GPRS (Serviço de Rádio de Pacote Geral). Ao conectar uma rede de sensores a uma infraestrutura de rede existente, como uma intranet privada, o acesso remoto à rede de sensores pode ser obtido. Dado que o conjunto de protocolos TCP/IP se tornou o padrão de rede de fato, não apenas para a Internet global, mas também para redes locais, é de grande interesse examinar métodos para interconectar redes de sensores e redes TCP/IP.

A implementação do conjunto de protocolos TCP/IP como protocolo de comunicação na RSSFs permite a integração perfeita da rede de sensores e de qualquer rede TCP/IP. Nenhum nó intermediário especial ou gateways seriam necessários para conectar uma rede de sensores a uma rede TCP/IP. Em vez disso, a conexão seria feita simplesmente conectando um ou mais nós sensores à rede TCP/IP. O TCP/IP na rede de sensores também forneceria a possibilidade de rotear dados de e para a rede de sensores por meio de tecnologias padrão, como GPRS. Neste contexto, tem-se como resultado uma arquitetura tal como na figura 13.

Figura 13: Conectando usando TCP/IP na rede de sensores. [25]

Quais são algumas das possíveis aplicações de Redes de Sensores Sem Fio?

Qual a relevância do consumo de energia em Redes de Sensores Sem Fio? E qual é o papel dos protocolos de roteamento na eficiência energética?

Quais são os protocolos mais utilizados em Redes de Sensores Sem Fio?

Qual a importância dos protocolos de roteamento para Redes de Sensores Sem Fio?

O que garantimos ao escolher o mais correto Protocolo de Roteamento em uma Redes de Sensores Sem Fio?

• [1] Routing protocols for wireless sensor networks: What the literature says? Amit Sarkar and T. Senthil Murugan. Alexandria Engineering Journal, 2016.
• [2] Routing Protocols for Wireless Sensor Networks. Zahoor Khan. LAP Lambert Academic Publishing, 2013.
• [3] Advanced Wireless Sensor Network Applications. Protocols and Architectures. Nagesh Kumar and Yashwant Singh, 2017.
• [4] Wireless Sensor Network. Ian F. Akyildiz and Mehmet Can Vuran, Wiley, 2010.
• [5] Advanced Routing Protocols for Wireless Networks. Miguel Elias Mitre Campista and Marcelo G. Rubinstein, Wiley, 2014.
• [6] Routing protocols in wireless sensor network. Vasanthi V. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2016.
• [7] A Comprehensive Routing Protocol in Wireless Sensor Network Based on Ant Colony Algorithm. Wenjing Guo, Wei Zhang and Gang Lu. IEEE, 2010.
• [8] Wireless sensor networks: Routing protocols and security issues. Anjali, Shikha and Mohit Sharma. IEEE, 2014.
• [9] Routing Protocols for Wireless Sensor Networks. Basil Etefia. 2014.
• [10] An Energy Efficient Routing Protocol for Wireless Sensor Networks using A-star Algorithm. Ali Ghaffari. Journal of applied research and technology, 2014.
• [11] Routing Protocols for Wireless Sensor Networks (WSNs). Noman Shabbir and Syed Rizwan Hassan, 2017.
• [12] Routing Protocols in Wireless Sensor Networks – A Survey. Shio Kumar Singh, M P Singh and D K Singh, International Journal of Computer Science & Engineering Survey (IJCSES), 2010.
• [13] A survey on routing protocols for wireless sensor networks. Kemal Akkaya and Mohamed Younis. 2003.
• [14] A Survey on Cluster Based Routing Protocols in Wireless Sensor Networks. Santar Pal Singh and S.C.Sharma. 2015.
• [15] An Energy Efficient Level Based Clustering Routing Protocol For Wireless Sensor Networks. Meenakshi Diwakar and Sushil Kumar. International Journal of Advanced Smart Sensor Network Systems, 2012.
• [16] Nodo e Gateway.
• [17] Tamanhos diversificados de sensores.
• [18] Conexão através de gateway.
• [19] Nodo e Gateway.
• [20] Padrão IEEE 1451.
• [21] Exemplo de Rede Corporal Sem Fio.
• [22] Bluetooth Protocol Stack.
• [23] Structure of ZigBee protocol stack.
• [24] Topology structure of ZigBee WSNs.
• [25] Conectando usando TCP/IP na rede de sensores.
• [26] Long Range Wireless Sensor Network

Este trabalho foi totalmente produzido pelos autores que declaram não terem violado os direitos autorais de terceiros, sejam eles pessoas físicas ou jurídicas. Havendo textos, tabelas e figuras transcritos de obras de terceiros com direitos autorais protegidos ou de domínio público tal como idéias e conceitos de terceiros, mesmo que sejam encontrados na Internet, os mesmos estão com os devidos créditos aos autores originais e estão incluídas apenas com o intuito de deixar o trabalho autocontido. O(s) autor(es) tem(êm) ciência dos Artigos 297 a 299 do Código Penal Brasileiro e também que o uso do artifício de copiar/colar texto de outras fontes e outras formas de plágio é um ato ilícito, condenável e passível de punição severa. No contexto da Universidade a punição não precisa se restringir à reprovação na disciplina e pode gerar um processo disciplinar que pode levar o(s) aluno(s) à suspensão.