Auto-organização em redes de sensores sem fio

by Serodio Figueiredo, Carlos Mauricio

Auto-organização é um importante conceito para o desenvolvimento de sistemas de rede autônomos e de larga escala. Sua idéia principal é "a obtenção de um comportamento global a partir de interações locais entre os elementos do sistema", e isso leva a redes menos dependentes de controle centralizado, e que tendem a ser escaláveis, adaptáveis e, consequentemente, robustas. Em particular, uma área de pesquisa bastante ativa é a de Redes de Sensores sem Fio (Wireless Sensor Networks -- WSNs). WSNs possuem um grande potencial de serem empregadas em várias aplicações relevantes, e foram concebidas sob o paradigma da auto-organização devido a muitas características intrínsecas. Essas redes são formadas por uma grande quantidade de dispositivos sensores interconectados por um canal sem fio com a finalidade de realizar tarefas de sensoriamento de forma distribuída e cooperativa. Além da escala, que aumenta a complexidade de desenvolvimento e manutenção, essas redes tendem a ser muito dinâmicas, pois alterações topológicas podem ser freqüentes devido à destruição de elementos, ao esgotamento de energia, à inclusão de novos sensores, ou à intermitência de comunicação causada por interferências ou obstáculos. Ainda, muitas aplicações dessas redes requerem um funcionamento autônomo, pois podem ser aplicadas em locais remotos, inóspitos e de difícil acesso. Embora muitos trabalhos na literatura abordem aspectos de auto-organização em WSNs, às vezes de forma implícita, não é provida uma visão mais geral e prática que possa ser usada para novos projetos e desenvolvimentos. Além disso, o projeto de funções auto-organizáveis pode não ser trivial, pois não há métodos formais ou modelos para o mapeamento dos comportamentos globais desejados para regras de interações locais. Assim, esta tese avança em dois aspectos particulares da aplicação do conceito de auto-organização a essas redes. No primeiro, um guia de projeto (guideline) é desenvolvido para nortear a modelagem e desenvolvimento de novas funções auto-organizáveis nessas redes, e sua vantagem consiste em um melhor entendimento e a especificação de funções auto-organizáveis através de aspectos e mecanismos gerais. No segundo, um esquema de gerenciamento dessas redes é proposto de forma a consi- derar um aspecto prático da operação de WSNs de que diferentes requisitos ou objetivos globais podem ser requeridos por uma aplicação externa ou entidade de gerência. Assim, o esquema consiste em manter o funcionamento da rede de forma auto-organizável em um nível operacional, mas permitir a ação sobre as regras de interação locais por entidades centralizadas de mais alto nível que, por sua vez, têm a visão mais geral das necessidades externas e do desempenho da rede para o atendimento a esses diferentes objetivos. Com base nesses aspectos gerais propostos, este trabalho ainda apresenta duas contribuições individuais abordando funções específicas de WSNs. Na primeira, a objetividade necessária às WSNs é mostrada através do desenvolvimento de uma solução de roteamento. Em particular, duas propostas de roteamento pró-ativo e reativo auto-organizáveis são combinadas em uma solução adaptativa híbrida, chamada Multi, que estende a aplicação de auto-organização em uma abordagem prática. Na segunda, a necessidade de considerar diferentes funções auto-organizáveis em um projeto integrado é apresentada com em uma solução, chamada RDC, que considera as funções de roteamento e controle de densidade.