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Cooperação e Codificação de Rede Aplicadas as RSSF Industriais

1. O documento discute o uso de codificação de rede com cooperação em redes de sensores sem fio industriais. Apresenta conceitos sobre redes de sensores sem fio e redes industriais e como a codificação de rede pode aumentar a confiabilidade dessas redes. 2. O documento também discute desafios específicos de redes sem fio em ambientes industriais, como interferência, e a importância de caracterizar ruídos industriais para o desenvolvimento de protocolos para essas redes. 3. A codificação de rede com cooper

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Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação e Codificação de Rede Aplicadas as RSSF Industriais Odilson T. Valle odilson@ifsc.edu.br Universiade Federeal de Santa Catarina IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 1 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Sumário 1 Introdução 2 Redes de Sensores Sem Fio Conceitos IEEE 802.15.4 3 Redes Industriais Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio 4 Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 2 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação O Futuro Futuro da Internet (fixa e móvel) Redes Futuras IWSN Serviços Cientes do Contexto Domínio das Redes de Sensores Sem Fio VANETs IFSC – UFSC BWSN BAN RSSF industriais com Codificação 3 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Áreas Envolvidas Nesta Apresentação IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 4 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Formação da Rede Fonte: Loureiro 2003 IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 5 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 RSSF – A Origem Confiabilidade – Conceito A ideia intuitiva de confiabilidade de redes pode ser entendida como a probabilidade de uma rede continuar funcionando mesmo na ocorrência de falhas nos enlaces e/ou nodos IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 6 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 RSSF – A Origem Confiabilidade – Conceito A ideia intuitiva de confiabilidade de redes pode ser entendida como a probabilidade de uma rede continuar funcionando mesmo na ocorrência de falhas nos enlaces e/ou nodos Nodos não são confiáveis, podem “morrer” por exaustão de energia Sensores não são exatos: medidas das grandezas não são precisas Domínio das Redes de Sensores Sem Fio Comunicação sem fio não é confiável (?) A rede DEVE ser confiável! Como? IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 6 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 RSSF – A Origem Confiabilidade – Conceito A ideia intuitiva de confiabilidade de redes pode ser entendida como a probabilidade de uma rede continuar funcionando mesmo na ocorrência de falhas nos enlaces e/ou nodos Nodos não são confiáveis, podem “morrer” por exaustão de energia Sensores não são exatos: medidas das grandezas não são precisas Domínio das Redes de Sensores Sem Fio Comunicação sem fio não é confiável (?) A rede DEVE ser confiável! Como? Rede Autônoma com alto grau de cooperação na execução de tarefas: auto-configuração, auto-cura, fusão de dados . . . IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 6 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Aumentando a confiabilidade Técnicas tradicionais para aumentar a confiabilidade na troca de pacotes, seja em redes cabeadas seja em redes sem fio: CRC – Cyclic Redundancy Check – Descarta pacotes com indícios de erro FEC – Forward Error Correction – Envia bits redundantes para recuperar até certo nível de erros nos pacotes ARQ – Automatic Repeat reQuest – Reencaminha pacotes não ou incorretamente recebidos As técnicas podem ser complementares, dependendo do grau de confiabilidade exigido pela aplicação IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 7 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Modelo de um nodo IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 8 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Modelo de um nodo Sistemas Embarcados: SO Aplicação IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 8 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Modelo de um nodo Sistemas Embarcados: SO Aplicação Protocolos de comunicação IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 8 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Modelo de um nodo Sistemas Embarcados: SO Aplicação Protocolos de comunicação Cuidado com consumo energético Roteamento: múltiplos saltos ⇒ sink Confiabilidade (?) IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 8 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 Padrão IEEE 802.15.4 Camada física e de controle de acesso ao meio para redes sem fio pessoais com baixas taxas de transmissão (LR-WPANs) IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 9 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 Padrão IEEE 802.15.4 Camada física e de controle de acesso ao meio para redes sem fio pessoais com baixas taxas de transmissão (LR-WPANs) Camada Física: Frequências(MHz)/canais: 868/0, 915/1-10, 2450/11-26 Taxa de transferência: 20, 40, 100 e 250 kbps IEEE 802.15.4 IEEE 802.11 Fonte: Bertocco2008 IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 9 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 MAC IEEE 802.15.4 Sem Beacon : CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Com Beacon: Beacon Beacon CAP CFP GTS GTS Inativo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 SD = aBaseSuperframeDuration x 2 SO Símbolos Ativo BI = aBaseSuperframeDuration x 2 BO Símbolos 0 ≤ SO ≤ BO ≤ 14 15, 36ms ≤ SuperframeDuration ≤ 4, 2min IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 10 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Exemplos de Superquadros BO SO BI (ms) SD (ms) Compartimento (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 IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 11 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem Compartilhamento de recursos Heterogeneidade Garantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real) IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 12 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem Compartilhamento de recursos Heterogeneidade Garantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real) Confiabilidade dos equipamentos e da informação (exatidão nos dados) Conectividade e interoperabilidade Evolutividade e flexibilidade IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 12 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem Compartilhamento de recursos Heterogeneidade Garantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real) Confiabilidade dos equipamentos e da informação (exatidão nos dados) Conectividade e interoperabilidade Evolutividade e flexibilidade Network Control System – NCS Monitoramento – Predictive Maintenance (PdM) IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 12 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem Compartilhamento de recursos Heterogeneidade Garantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real) Confiabilidade dos equipamentos e da informação (exatidão nos dados) Conectividade e interoperabilidade Evolutividade e flexibilidade Network Control System – NCS Monitoramento – Predictive Maintenance (PdM) Redes Fieldbus HART ISA ... IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 12 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem Compartilhamento de recursos Heterogeneidade Garantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real) Confiabilidade dos equipamentos e da informação (exatidão nos dados) Conectividade e interoperabilidade Evolutividade e flexibilidade Network Control System – NCS Monitoramento – Predictive Maintenance (PdM) Redes Fieldbus HART ISA ... Redes Sem Fio? IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 12 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Redes Sem Fio na Industria Transição Coexistência de redes cabeadas e sem fio por vários anos Problemas do meio sem fio Desvanecimento Propagação por vários caminhos Sombreamento Segurança: captura de pacotes e/ou inserção de pacotes maliciosos Interferência, com mais intensidade na Industria: Soldas Motores elétricos Inversores de Frequência Outras redes sem fio . . . IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 13 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Caracterização do ruído na industria Para facilitar o desenvolvimento de novos protocolos faz-se uso de simuladores e/ou ensaios em laboratórios. Para antever o comportamento dos mesmo na industria deve-se ter um modelo realista dos ruídos lá presentes. IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 14 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Caracterização do ruído na industria Para facilitar o desenvolvimento de novos protocolos faz-se uso de simuladores e/ou ensaios em laboratórios. Para antever o comportamento dos mesmo na industria deve-se ter um modelo realista dos ruídos lá presentes. Em rajadas Modelo Gilbert–Elliott BER (CRC/FEC), PER (ARQ) Altamente dependente da distância entre comunicantes IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 14 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio RSSF Industriais Mudança de paradigma Nodos devem ser confiáveis Sensores devem ser exatos Tempo Real Periodicidade IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 15 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio RSSF Industriais Mudança de paradigma Nodos devem ser confiáveis Sensores devem ser exatos Tempo Real Periodicidade Permanece Cuidado com consumo energético Alta densidade/empregabilidade ⇒ nodos ainda são baratos quando comparados com tecnologia tradicional IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 15 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio RSSF Industriais Mudança de paradigma Nodos devem ser confiáveis Sensores devem ser exatos Tempo Real Periodicidade Permanece Cuidado com consumo energético Alta densidade/empregabilidade ⇒ nodos ainda são baratos quando comparados com tecnologia tradicional RSSF Industriais WirelessHART ISA 100.11a IEEE 802.15.4/ZigBee – IEEE802.15.4e ... IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 15 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Classes de Uso - ISA Classe 0 1 Controle 2 3 4 Monitoramento 5 Aplicação Ações emergenciais Circuito fechado para controle regulamentar Circuito fechado para controle de supervisão Controle em malha aberta Alerta Registro e downloading/uploading IFSC – UFSC Descrição (sempre crítica) (muitas vezes crítica) (geralmente não crítica) (humano na malha) Consequências operacionais de curto prazo (por exemplo, a manutenção baseada em eventos) Sem consequências operacionais imediatas (por exemplo, coleta de história, sequência de eventos, manutenção preventiva) RSSF industriais com Codificação 6 Importância da atualidade da mensagem <—————– Redes Sem Fio ————–> Categoria Segurança 16 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Cooperação em RSSF As redes cooperativas, que visam a utilização dos dispositivos ativos na rede como retransmissores obtendo desta forma diversidade semelhante à encontrada em dispositivos MIMO, são capazes de propiciar transmissões mais confiáveis, com redução dos efeitos de canal e melhoria em termos taxa de erro e throughput IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 17 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Conceitos Diversidade Temporal Cada caminho em diferentes instantes de tempo tem diferente comportamento Retransmissão de mensagens em tempos distintos Diversidade Espacial Cada caminho percorrido por uma onda sofre diferentes atenuações MIMO em RSSF é caro Múltiplos nodos fazem o papel de MIMO IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 18 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Conceitos Diversidade Temporal Cada caminho em diferentes instantes de tempo tem diferente comportamento Retransmissão de mensagens em tempos distintos Diversidade Espacial Cada caminho percorrido por uma onda sofre diferentes atenuações MIMO em RSSF é caro Múltiplos nodos fazem o papel de MIMO IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 18 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Conceitos Diversidade em Frequência – A propagação de sinais em diferentes frequências experimenta diferenças em reflexão, difração e espalhamento (Salto de canal – WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e) IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 19 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Conceitos Diversidade em Frequência – A propagação de sinais em diferentes frequências experimenta diferenças em reflexão, difração e espalhamento (Salto de canal – WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e) Diversidade por Multiusuário – O aumento global da taxa de transmissão do sistema cresce com o número de usuários e com ganho na variação do canal IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 19 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Conceitos Diversidade em Frequência – A propagação de sinais em diferentes frequências experimenta diferenças em reflexão, difração e espalhamento (Salto de canal – WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e) Diversidade por Multiusuário – O aumento global da taxa de transmissão do sistema cresce com o número de usuários e com ganho na variação do canal Diversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fio de múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptor pode ser conectado por meio de múltiplos percursos na rede. As propriedades desses percursos variam de diversas maneiras, tais como: comprimento do salto, largura de banda, atraso total, atraso na fila etc IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 19 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Conceitos Diversidade em Frequência – A propagação de sinais em diferentes frequências experimenta diferenças em reflexão, difração e espalhamento (Salto de canal – WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e) Diversidade por Multiusuário – O aumento global da taxa de transmissão do sistema cresce com o número de usuários e com ganho na variação do canal Diversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fio de múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptor pode ser conectado por meio de múltiplos percursos na rede. As propriedades desses percursos variam de diversas maneiras, tais como: comprimento do salto, largura de banda, atraso total, atraso na fila etc Técnicas podem explorar várias diversidades IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 19 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação) Aumento da diversidade espacial Aumento do consumo energético? Depende dos objetivos da aplicação Escolha do(s) vizinho(s)? Todos IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação) Aumento da diversidade espacial Aumento do consumo energético? Depende dos objetivos da aplicação Escolha do(s) vizinho(s)? Todos ⇒ inundação na rede IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação) Aumento da diversidade espacial Aumento do consumo energético? Depende dos objetivos da aplicação Escolha do(s) vizinho(s)? Todos ⇒ inundação na rede Alguns IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação) Aumento da diversidade espacial Aumento do consumo energético? Depende dos objetivos da aplicação Escolha do(s) vizinho(s)? Todos ⇒ inundação na rede Alguns : qual o critério? IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação) Aumento da diversidade espacial Aumento do consumo energético? Depende dos objetivos da aplicação Escolha do(s) vizinho(s)? Todos ⇒ inundação na rede Alguns : qual o critério? Nodos atuadores: sem problemas energéticos! IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação) Aumento da diversidade espacial Aumento do consumo energético? Depende dos objetivos da aplicação Escolha do(s) vizinho(s)? Todos ⇒ inundação na rede Alguns : qual o critério? Nodos atuadores: sem problemas energéticos! Diversidade temporal? IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede O que é Codificação de Rede Um novo paradigma para comunicação em rede Nas redes tradicionais os nós intermediários podem somente rotear ou replicar os pacotes recebidos Nas redes codificadas estes nós podem criar novos pacotes com a combinação algébrica dos pacotes recebidos Potencial para: Alcançar maiores taxas de transmissão Simplificar algoritmos de roteamento Otimizar as retransmissões IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 21 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 22 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 22 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 22 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 22 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 22 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 22 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC Quatro intervalos de tempo IFSC – UFSC Três intervalos de tempo. RSSF industriais com Codificação 22 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Codificação de mensagens Por definição, todos os pacotes que trafegam pela rede são vetores de tamanho m sobre um corpo finito Fq (pi = [pi1 . . . pim ], pij ∈ Fq ). Cada nó fonte produz k pacotes originais (ordinários), definidos como x1 , . . . , xk . Os nós que fazem a codificação, constroem novos pacotes executando combinações lineares (sobre Fq ) dos pacotes recebidos. Um nó qualquer recebe um conjunto de pacotes:      y1 g11 . . . g1k x1  .   . .   .  = G(t) X (t) .. . = . .  .  Y = . . . . . yN gN1 ... gNk xk onde G(t) é chamada a matriz de transferência da rede para um determinado destino t e k é o numero de pacotes codificados recebidos. O destino recupera os pacotes originais X resolvendo o sistema linear IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 23 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Codificação de mensagens na prática Escolha do tamanho do corpo ⇒ 28 IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 24 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Codificação de mensagens na prática Escolha do tamanho do corpo ⇒ 28 Codificando mensagens: Escolha do coeficiente Multiplicar o coeficiente pela mensagem: toma-se de 8 em 8 bits (= corpo) da mensagem e multiplica-se (deslocamento de bits) pelo coeficiente Repete-se para todas a mensagens a codificar O resultado final é obtido pelo XOR de todas as mensagens Mensagem pronta para envio. Deve-se enviar os coeficientes em anexo IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 24 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Codificação de mensagens na prática Escolha do tamanho do corpo ⇒ 28 Codificando mensagens: Escolha do coeficiente Multiplicar o coeficiente pela mensagem: toma-se de 8 em 8 bits (= corpo) da mensagem e multiplica-se (deslocamento de bits) pelo coeficiente Repete-se para todas a mensagens a codificar O resultado final é obtido pelo XOR de todas as mensagens Mensagem pronta para envio. Deve-se enviar os coeficientes em anexo Decodificando mensagens: Monta-se um sistema linear com todas as mensagens recebidas, codificadas ou não Resolução de sistema linear: extrai-se as incógnitas (mensagens) – deslocamento de bits. IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 24 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão com Codificação de Rede Prós De uma mensagem codificada pode-se recuperar qualquer mensagem perdida (?) Menor ocupação do meio Diversidade temporal e espacial Um bom algoritmo pode aproveitar nodos em distâncias intermediárias como retransmissores, aumentando a probabilidade de sucesso IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 25 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão com Codificação de Rede Prós De uma mensagem codificada pode-se recuperar qualquer mensagem perdida (?) Menor ocupação do meio Diversidade temporal e espacial Um bom algoritmo pode aproveitar nodos em distâncias intermediárias como retransmissores, aumentando a probabilidade de sucesso Contras Overhead na mensagem: ocupação do meio + energia Over hear : energia Over processing: custo IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 25 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Perguntas? IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 26 / 27
Introdução Redes de Sensores Sem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Muito Obrigado! IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 27 / 27

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Cooperação e Codificação de Rede Aplicadas as RSSF Industriais

  • 1.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação e Codificação de Rede Aplicadas as RSSF Industriais Odilson T. Valle odilson@ifsc.edu.br Universiade Federeal de Santa Catarina IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 1 / 27
  • 2.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Sumário 1 Introdução 2 Redes de Sensores Sem Fio Conceitos IEEE 802.15.4 3 Redes Industriais Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio 4 Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 2 / 27
  • 3.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação O Futuro Futuro da Internet (fixa e móvel) Redes Futuras IWSN Serviços Cientes do Contexto Domínio das Redes de Sensores Sem Fio VANETs IFSC – UFSC BWSN BAN RSSF industriais com Codificação 3 / 27
  • 4.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Áreas Envolvidas Nesta Apresentação IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 4 / 27
  • 5.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Formação da Rede Fonte: Loureiro 2003 IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 5 / 27
  • 6.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 RSSF – A Origem Confiabilidade – Conceito A ideia intuitiva de confiabilidade de redes pode ser entendida como a probabilidade de uma rede continuar funcionando mesmo na ocorrência de falhas nos enlaces e/ou nodos IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 6 / 27
  • 7.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 RSSF – A Origem Confiabilidade – Conceito A ideia intuitiva de confiabilidade de redes pode ser entendida como a probabilidade de uma rede continuar funcionando mesmo na ocorrência de falhas nos enlaces e/ou nodos Nodos não são confiáveis, podem “morrer” por exaustão de energia Sensores não são exatos: medidas das grandezas não são precisas Domínio das Redes de Sensores Sem Fio Comunicação sem fio não é confiável (?) A rede DEVE ser confiável! Como? IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 6 / 27
  • 8.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 RSSF – A Origem Confiabilidade – Conceito A ideia intuitiva de confiabilidade de redes pode ser entendida como a probabilidade de uma rede continuar funcionando mesmo na ocorrência de falhas nos enlaces e/ou nodos Nodos não são confiáveis, podem “morrer” por exaustão de energia Sensores não são exatos: medidas das grandezas não são precisas Domínio das Redes de Sensores Sem Fio Comunicação sem fio não é confiável (?) A rede DEVE ser confiável! Como? Rede Autônoma com alto grau de cooperação na execução de tarefas: auto-configuração, auto-cura, fusão de dados . . . IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 6 / 27
  • 9.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Aumentando a confiabilidade Técnicas tradicionais para aumentar a confiabilidade na troca de pacotes, seja em redes cabeadas seja em redes sem fio: CRC – Cyclic Redundancy Check – Descarta pacotes com indícios de erro FEC – Forward Error Correction – Envia bits redundantes para recuperar até certo nível de erros nos pacotes ARQ – Automatic Repeat reQuest – Reencaminha pacotes não ou incorretamente recebidos As técnicas podem ser complementares, dependendo do grau de confiabilidade exigido pela aplicação IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 7 / 27
  • 10.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Modelo de um nodo IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 8 / 27
  • 11.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Modelo de um nodo Sistemas Embarcados: SO Aplicação IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 8 / 27
  • 12.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Modelo de um nodo Sistemas Embarcados: SO Aplicação Protocolos de comunicação IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 8 / 27
  • 13.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Modelo de um nodo Sistemas Embarcados: SO Aplicação Protocolos de comunicação Cuidado com consumo energético Roteamento: múltiplos saltos ⇒ sink Confiabilidade (?) IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 8 / 27
  • 14.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 Padrão IEEE 802.15.4 Camada física e de controle de acesso ao meio para redes sem fio pessoais com baixas taxas de transmissão (LR-WPANs) IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 9 / 27
  • 15.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 Padrão IEEE 802.15.4 Camada física e de controle de acesso ao meio para redes sem fio pessoais com baixas taxas de transmissão (LR-WPANs) Camada Física: Frequências(MHz)/canais: 868/0, 915/1-10, 2450/11-26 Taxa de transferência: 20, 40, 100 e 250 kbps IEEE 802.15.4 IEEE 802.11 Fonte: Bertocco2008 IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 9 / 27
  • 16.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 MAC IEEE 802.15.4 Sem Beacon : CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Com Beacon: Beacon Beacon CAP CFP GTS GTS Inativo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 SD = aBaseSuperframeDuration x 2 SO Símbolos Ativo BI = aBaseSuperframeDuration x 2 BO Símbolos 0 ≤ SO ≤ BO ≤ 14 15, 36ms ≤ SuperframeDuration ≤ 4, 2min IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 10 / 27
  • 17.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Conceitos IEEE 802.15.4 Exemplos de Superquadros BO SO BI (ms) SD (ms) Compartimento (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 IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 11 / 27
  • 18.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem Compartilhamento de recursos Heterogeneidade Garantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real) IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 12 / 27
  • 19.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem Compartilhamento de recursos Heterogeneidade Garantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real) Confiabilidade dos equipamentos e da informação (exatidão nos dados) Conectividade e interoperabilidade Evolutividade e flexibilidade IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 12 / 27
  • 20.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem Compartilhamento de recursos Heterogeneidade Garantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real) Confiabilidade dos equipamentos e da informação (exatidão nos dados) Conectividade e interoperabilidade Evolutividade e flexibilidade Network Control System – NCS Monitoramento – Predictive Maintenance (PdM) IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 12 / 27
  • 21.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem Compartilhamento de recursos Heterogeneidade Garantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real) Confiabilidade dos equipamentos e da informação (exatidão nos dados) Conectividade e interoperabilidade Evolutividade e flexibilidade Network Control System – NCS Monitoramento – Predictive Maintenance (PdM) Redes Fieldbus HART ISA ... IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 12 / 27
  • 22.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem Compartilhamento de recursos Heterogeneidade Garantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real) Confiabilidade dos equipamentos e da informação (exatidão nos dados) Conectividade e interoperabilidade Evolutividade e flexibilidade Network Control System – NCS Monitoramento – Predictive Maintenance (PdM) Redes Fieldbus HART ISA ... Redes Sem Fio? IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 12 / 27
  • 23.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Redes Sem Fio na Industria Transição Coexistência de redes cabeadas e sem fio por vários anos Problemas do meio sem fio Desvanecimento Propagação por vários caminhos Sombreamento Segurança: captura de pacotes e/ou inserção de pacotes maliciosos Interferência, com mais intensidade na Industria: Soldas Motores elétricos Inversores de Frequência Outras redes sem fio . . . IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 13 / 27
  • 24.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Caracterização do ruído na industria Para facilitar o desenvolvimento de novos protocolos faz-se uso de simuladores e/ou ensaios em laboratórios. Para antever o comportamento dos mesmo na industria deve-se ter um modelo realista dos ruídos lá presentes. IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 14 / 27
  • 25.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Caracterização do ruído na industria Para facilitar o desenvolvimento de novos protocolos faz-se uso de simuladores e/ou ensaios em laboratórios. Para antever o comportamento dos mesmo na industria deve-se ter um modelo realista dos ruídos lá presentes. Em rajadas Modelo Gilbert–Elliott BER (CRC/FEC), PER (ARQ) Altamente dependente da distância entre comunicantes IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 14 / 27
  • 26.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio RSSF Industriais Mudança de paradigma Nodos devem ser confiáveis Sensores devem ser exatos Tempo Real Periodicidade IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 15 / 27
  • 27.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio RSSF Industriais Mudança de paradigma Nodos devem ser confiáveis Sensores devem ser exatos Tempo Real Periodicidade Permanece Cuidado com consumo energético Alta densidade/empregabilidade ⇒ nodos ainda são baratos quando comparados com tecnologia tradicional IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 15 / 27
  • 28.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio RSSF Industriais Mudança de paradigma Nodos devem ser confiáveis Sensores devem ser exatos Tempo Real Periodicidade Permanece Cuidado com consumo energético Alta densidade/empregabilidade ⇒ nodos ainda são baratos quando comparados com tecnologia tradicional RSSF Industriais WirelessHART ISA 100.11a IEEE 802.15.4/ZigBee – IEEE802.15.4e ... IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 15 / 27
  • 29.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Especificidades das redes industriais Redes industriais sem fio Classes de Uso - ISA Classe 0 1 Controle 2 3 4 Monitoramento 5 Aplicação Ações emergenciais Circuito fechado para controle regulamentar Circuito fechado para controle de supervisão Controle em malha aberta Alerta Registro e downloading/uploading IFSC – UFSC Descrição (sempre crítica) (muitas vezes crítica) (geralmente não crítica) (humano na malha) Consequências operacionais de curto prazo (por exemplo, a manutenção baseada em eventos) Sem consequências operacionais imediatas (por exemplo, coleta de história, sequência de eventos, manutenção preventiva) RSSF industriais com Codificação 6 Importância da atualidade da mensagem <—————– Redes Sem Fio ————–> Categoria Segurança 16 / 27
  • 30.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Cooperação em RSSF As redes cooperativas, que visam a utilização dos dispositivos ativos na rede como retransmissores obtendo desta forma diversidade semelhante à encontrada em dispositivos MIMO, são capazes de propiciar transmissões mais confiáveis, com redução dos efeitos de canal e melhoria em termos taxa de erro e throughput IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 17 / 27
  • 31.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Conceitos Diversidade Temporal Cada caminho em diferentes instantes de tempo tem diferente comportamento Retransmissão de mensagens em tempos distintos Diversidade Espacial Cada caminho percorrido por uma onda sofre diferentes atenuações MIMO em RSSF é caro Múltiplos nodos fazem o papel de MIMO IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 18 / 27
  • 32.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Conceitos Diversidade Temporal Cada caminho em diferentes instantes de tempo tem diferente comportamento Retransmissão de mensagens em tempos distintos Diversidade Espacial Cada caminho percorrido por uma onda sofre diferentes atenuações MIMO em RSSF é caro Múltiplos nodos fazem o papel de MIMO IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 18 / 27
  • 33.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Conceitos Diversidade em Frequência – A propagação de sinais em diferentes frequências experimenta diferenças em reflexão, difração e espalhamento (Salto de canal – WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e) IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 19 / 27
  • 34.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Conceitos Diversidade em Frequência – A propagação de sinais em diferentes frequências experimenta diferenças em reflexão, difração e espalhamento (Salto de canal – WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e) Diversidade por Multiusuário – O aumento global da taxa de transmissão do sistema cresce com o número de usuários e com ganho na variação do canal IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 19 / 27
  • 35.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Conceitos Diversidade em Frequência – A propagação de sinais em diferentes frequências experimenta diferenças em reflexão, difração e espalhamento (Salto de canal – WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e) Diversidade por Multiusuário – O aumento global da taxa de transmissão do sistema cresce com o número de usuários e com ganho na variação do canal Diversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fio de múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptor pode ser conectado por meio de múltiplos percursos na rede. As propriedades desses percursos variam de diversas maneiras, tais como: comprimento do salto, largura de banda, atraso total, atraso na fila etc IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 19 / 27
  • 36.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Conceitos Diversidade em Frequência – A propagação de sinais em diferentes frequências experimenta diferenças em reflexão, difração e espalhamento (Salto de canal – WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e) Diversidade por Multiusuário – O aumento global da taxa de transmissão do sistema cresce com o número de usuários e com ganho na variação do canal Diversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fio de múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptor pode ser conectado por meio de múltiplos percursos na rede. As propriedades desses percursos variam de diversas maneiras, tais como: comprimento do salto, largura de banda, atraso total, atraso na fila etc Técnicas podem explorar várias diversidades IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 19 / 27
  • 37.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
  • 38.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação) Aumento da diversidade espacial Aumento do consumo energético? Depende dos objetivos da aplicação Escolha do(s) vizinho(s)? Todos IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
  • 39.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação) Aumento da diversidade espacial Aumento do consumo energético? Depende dos objetivos da aplicação Escolha do(s) vizinho(s)? Todos ⇒ inundação na rede IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
  • 40.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação) Aumento da diversidade espacial Aumento do consumo energético? Depende dos objetivos da aplicação Escolha do(s) vizinho(s)? Todos ⇒ inundação na rede Alguns IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
  • 41.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação) Aumento da diversidade espacial Aumento do consumo energético? Depende dos objetivos da aplicação Escolha do(s) vizinho(s)? Todos ⇒ inundação na rede Alguns : qual o critério? IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
  • 42.
    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação) Aumento da diversidade espacial Aumento do consumo energético? Depende dos objetivos da aplicação Escolha do(s) vizinho(s)? Todos ⇒ inundação na rede Alguns : qual o critério? Nodos atuadores: sem problemas energéticos! IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão em RSSF Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuest Baixa diversidade temporal Nenhuma diversidade espacial Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação) Aumento da diversidade espacial Aumento do consumo energético? Depende dos objetivos da aplicação Escolha do(s) vizinho(s)? Todos ⇒ inundação na rede Alguns : qual o critério? Nodos atuadores: sem problemas energéticos! Diversidade temporal? IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 20 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede O que é Codificação de Rede Um novo paradigma para comunicação em rede Nas redes tradicionais os nós intermediários podem somente rotear ou replicar os pacotes recebidos Nas redes codificadas estes nós podem criar novos pacotes com a combinação algébrica dos pacotes recebidos Potencial para: Alcançar maiores taxas de transmissão Simplificar algoritmos de roteamento Otimizar as retransmissões IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 21 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 22 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 22 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 22 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 22 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 22 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 22 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Exemplo da NC Quatro intervalos de tempo IFSC – UFSC Três intervalos de tempo. RSSF industriais com Codificação 22 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Codificação de mensagens Por definição, todos os pacotes que trafegam pela rede são vetores de tamanho m sobre um corpo finito Fq (pi = [pi1 . . . pim ], pij ∈ Fq ). Cada nó fonte produz k pacotes originais (ordinários), definidos como x1 , . . . , xk . Os nós que fazem a codificação, constroem novos pacotes executando combinações lineares (sobre Fq ) dos pacotes recebidos. Um nó qualquer recebe um conjunto de pacotes:      y1 g11 . . . g1k x1  .   . .   .  = G(t) X (t) .. . = . .  .  Y = . . . . . yN gN1 ... gNk xk onde G(t) é chamada a matriz de transferência da rede para um determinado destino t e k é o numero de pacotes codificados recebidos. O destino recupera os pacotes originais X resolvendo o sistema linear IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 23 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Codificação de mensagens na prática Escolha do tamanho do corpo ⇒ 28 IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 24 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Codificação de mensagens na prática Escolha do tamanho do corpo ⇒ 28 Codificando mensagens: Escolha do coeficiente Multiplicar o coeficiente pela mensagem: toma-se de 8 em 8 bits (= corpo) da mensagem e multiplica-se (deslocamento de bits) pelo coeficiente Repete-se para todas a mensagens a codificar O resultado final é obtido pelo XOR de todas as mensagens Mensagem pronta para envio. Deve-se enviar os coeficientes em anexo IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 24 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Codificação de mensagens na prática Escolha do tamanho do corpo ⇒ 28 Codificando mensagens: Escolha do coeficiente Multiplicar o coeficiente pela mensagem: toma-se de 8 em 8 bits (= corpo) da mensagem e multiplica-se (deslocamento de bits) pelo coeficiente Repete-se para todas a mensagens a codificar O resultado final é obtido pelo XOR de todas as mensagens Mensagem pronta para envio. Deve-se enviar os coeficientes em anexo Decodificando mensagens: Monta-se um sistema linear com todas as mensagens recebidas, codificadas ou não Resolução de sistema linear: extrai-se as incógnitas (mensagens) – deslocamento de bits. IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 24 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão com Codificação de Rede Prós De uma mensagem codificada pode-se recuperar qualquer mensagem perdida (?) Menor ocupação do meio Diversidade temporal e espacial Um bom algoritmo pode aproveitar nodos em distâncias intermediárias como retransmissores, aumentando a probabilidade de sucesso IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 25 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Retransmissão com Codificação de Rede Prós De uma mensagem codificada pode-se recuperar qualquer mensagem perdida (?) Menor ocupação do meio Diversidade temporal e espacial Um bom algoritmo pode aproveitar nodos em distâncias intermediárias como retransmissores, aumentando a probabilidade de sucesso Contras Overhead na mensagem: ocupação do meio + energia Over hear : energia Over processing: custo IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 25 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Perguntas? IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 26 / 27
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    Introdução Redes de SensoresSem Fio Redes Industriais Codificação de Rede com Cooperação Cooperação Codificação de Rede Muito Obrigado! IFSC – UFSC RSSF industriais com Codificação 27 / 27