Codificação de rede na retransmissão oportunista de mensagens em redes de sensores sem fio IEEE 802.15.4

Abstract

As Redes de Sensores sem Fio (RSSF) vêm apresentando uma penetração cada vez maior nas mais distintas áreas, dados a sua versatilidade e o seu baixo custo. Mais recentemente foi proposto seu emprego no chão de fábrica, com o surgimento de diversos padrões específicos, com especial destaque ao padrão IEEE 802.15.4. O ambiente industrial possui duas características que o diferenciam dos demais ambientes de aplicação das RSSF: requisitos de tempo real na troca de mensagens e alto índice de ruído eletromagnético que provocam altas taxas de perdas de mensagens. Sendo assim, é determinante para a aplicação das RSSF no ambiente industrial que se maximize a confiabilidade na troca de mensagens com garantias temporais. Neste sentido, esta tese propõe um novo algoritmo de codificação de rede para retransmissão oportunista de mensagens, aplicado a redes de sensores sem fio no padrão IEEE 802.15.4. Essa proposta emprega técnicas de codificação de rede, cooperação e diversidade temporal objetivando aumentar a confiabilidade na troca de mensagens. A codificação de rede é utilizada em nodos retransmissores para, sempre que necessário, agrupar um conjunto de mensagens e retransmiti-las. O coordenador da rede, ao receber o conjunto de mensagens originais e mensagens codificadas, consegue aumentar significativamente a taxa de sucesso das mensagens recebidas e, consequentemente, minimizar o consumo energético e do uso do meio na rede. Para comprovar a eficácia dessa proposta foi realizado um conjunto de ensaios experimentais com várias plataformas de nodos, principalmente o MicaZ, e simulações no OMNeT++, em variadas topologias de rede. Com o comparativo da nova técnica com técnicas tradicionais de retransmissão de mensagens se comprovou o melhor desempenho da nova proposta. Também foram realizados ensaios experimentais que comprovaram a factibilidade da codificação de rede em nodos das RSSF.<br>

Abstract: Wireless Sensor Networks (WSN) based applications have been increased in different applications areas, due to their versatility and low cost. Recently, its adoption has been proposed on factory floor, with the emergence of several specific standards, with special emphasis on the IEEE 802.15.4 standard. The industrial environment has two particular features that differs from traditional WSN application environments:(i) real-time constraints in messaging streams and (ii) high level of electromagnetic noise, which causes high rates of loss messages.Therefore, it is mandatory for industrial WSN application to maximize the reliability in messages exchanging with temporal guarantees. In this sense, this thesis proposes a new network coding algorithm for opportunistic relaying messages, applied to IEEE 802.15.4 WSN. This proposal employs network coding techniques, time diversity and cooperation in order to increase the message reliability. Network coding is adopted at relays nodes to group a set of messages and retransmit them. The network coordinator, upon receiving the set of original messages and coded messages can signicantly increase the success rate of incoming messages and, consequently, minimize the energy consumption through the network. To assess the effectiveness of this proposal several studies have been conducred in diferent sensor nodes platforms, especially the MicaZ and simulations in OMNeT++ considering various network topologies. Simulation results show that the proposed approach outperforms traditional ralaying techniques. Experimental assessment indicates the feasibility of network coding in the WSN nodes.