Protocolul de Rutare MESHSPF pentru Rețele de Senzori Wireless

1. INTORDUCERE

1.1 Motivaţie

Progresele tehnologice uriaşe realizate în ultimii ani în domeniile Sistemelor Micro-Electromecanice (MEMS) şi Nano-Electromecanice (NEMS) au dat o nouă dimensiune dezvoltării reţeleor de senzori wireless.

S-a obţinut astfel pe de-o parte micşorarea mărimii, a greutăţii şi a costurilor de fabricaţie ale senzorilor, iar pe de atltă parte au fost îmbunătăţite caracteristicilor lor de funcţionare precum rezoluţia spaţială, temporală şi precizia.

Dezvoltate iniţial în scopuri militare , reţelele de senzori wireless sunt folosite în prezent întro gamă foarte largă de aplicaţii din domeniul industriei civile. Astfel printre cele mai importante întrebuinţări ale acestora se remarcă, reţele pentru controlul traficului rutier, monitorizarea mediului pe suprafeţe foarte mari, monitorizarea reţelelor electrice la nivel regional sau naţional , aplicaţii în domeniul sănătăţii precum monitorizarea condiţiei victimelor la locul accidentului, aigurarea confortului în locuinţe.

În prezent reţele de senzori wireless, dezvoltate pentru a reliza sarcinile expuse anterior, pot conţine sute sau chiar mii de noduri. Datorită propreatăţilor pe care trebuie să le respecte aceste reţele, precum consumul scăzut şi eficientizat de energie sau întindere foarte mare dar şi datorită nenumăratelor restricţii de proiectare şi a resurselor limitate de care dispun la nivel de nod, fac din crearea unui protocol de rutare pentru acestea o temă de cercetare extrem de interesantă.

1.2 Obiective

Această lucrare are ca scop dezvoltarea unui protocol de rutare care să respecte cerinţele nivelului Reţea al standardului 802.15.4 ZigBee astfel încât să fie satisfăcute toate necesităţile unei reţele de senzori wireless din perspectiva transmiterii şi rutării de pachete, ţinând cont de constrângerile pe care o astfel de reţea le impune.

Principala caracteristică pe care un astfel de protocol trebuie să o aibe este asigurarea unui consum redus de enrgie , păstrând intactă functşionalitatea reţelei. Din această perspectivă lucrarea de faţă se axează pe reducerea numărului de pachete necesare pentru realizarea şi menţinerea topologiei logice a reţelei (calcularea şi întreţinerea rutelor folosite la transmiterea pachetelor dinspre nodurile dotate cu senzori ale reţelei spre nodul Bază), precum şi pe minimizarea procesării datelor necesare protocolului de rutare la nivel de nod.

S-a urmărit sporirea stabilităţii şi robusteţii reţelei, fiind foarte importantă tratarea problemei apariţiei buclelor de rutare. Deasemenea s-a urmărit obţinerea unei periodae cât mai mici de convergenţă a reţelei privind atât din perspectiva configurării iniţiale a acesteia precum şi în urma modificărilor de topologie ce pot apărea pe parcursul funcţionării.

Un alt aspect important este viteza pe care protocolul de rutare o asigură transmiterii pachetelor ce conţin datele prelevate de la senzori, urmărindu-se în acestă direcţie calcularea de rute optime din perspectiva „costului de tranmisie” către nodul Bază. Costul redus al transmisie se referă la timpul necesar unui pachet să ajungă la destinaţie, dar şi la un consum cât mai mic de energie , necesar transmiterii şi rutării pachetului (un rol foarte important pentru obţinerea unui cost redus îl are numărul de retransmisi necesare).

Încercând să respecte cât mai mult cerinţele prezentate anterior, protocolul de rutare MeshSPF analizat în acestă lucrare, a fost dezvoltat în ideea realizării unui compromis între simplitatea şi resursele reduse la nive de nod al reţelei pe care le implică un protocol de rutare de tipul „Vector de Distanţă” (Distance Vector), şi stabilitatea şi vitezele ridicate de rutare a pachetelor oferite de utilizarea protocoalelor de tipul Starea Legăturii (Link State).

1.3 Conţinutul lucrării

În capitolul următor vor fi prezentate aspectele teoretice considerate pentru dezvoltarea acestei lucrări. Astfel subcapitolul 2.1 conţine aspecte generale şi caracteristicile de bază ale reţelelor de senzori wireless, 2.2 prezintă pe larg standardul IEEE 802.15.4 , axându-se pe nivelele PHY şi MAC ale acestuia, 2.3 prezintă componentele hardware care au fost folosite pentru dezvoltarea protocolului MeshSPF iar subcapitolul 2.4 conţine aspecte cu privire la ustensilele software folosite.

Capitolul 3 conţine prezentarea protocolului de rutare MeshSPF dezvoltat, evidenţiind modul în care au fost proiectate şi realizate fiecare din cele 3 componente ale acestuia (Designated Router Base, Designated Router Other, MeshSPF Router).

Detaliile privind testarea protocolului sunte prezentate în capitolul 4 pe baza unui studiu comparativ între performanţele obţinute folosind MeshSPF şi protocolul XMesh dezvoltat de către Crossbow. Concluziile bazate pe rezultatele obţinute în urma dezvoltării protocolului MeshPSF sunt prezentate în capitolul 5.