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Type: Tese de Doutorado
Title: Auto-organização em redes de sensores sem fio
Authors: Carlos Mauricio Serodio Figueiredo
First Advisor: Antonio Alfredo Ferreira Loureiro
First Co-advisor: Linnyer Beatrys Ruiz
First Referee: Djamel F.h. Sadok
Second Referee: Geraldo Robson Mateus
Third Referee: Jose Marcos Silva Nogueira
metadata.dc.contributor.referee4: Cláudio Luis Amorim
Abstract: 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.
Abstract: Self-organization is an important concept that has been applied to large-scale and autonomous networksystems. Its main idea is the 'achievement of a global behavior through local interactions', which leads to networks that are less dependent on a central control, and that tend to be scalable, adaptable and, consequently, robust.In particular, Wireless Sensor Networks (WSNs) form a very active research area. WSNs are expected to have a wide applicability, and they were conceived under the self-organization paradigm due to several intrinsic characteristics. These networks consist of sensor a high number of sensing nodes interconnected by a wireless channel to perform distributed and cooperative sensing tasks. In addition to the scale, which increases the maintenance complexity, these networks tend to be very dynamic, because topological changes may be frequent due to destruction or energy depletion of nodes, inclusion of new ones, or due to the intermittent wireless communication caused by interferences or obstacles. Also, several WSN applications require the adoption of a totally autonomous behavior due to the necessity of sensing in places that are remote, inhospitable or with difficult access.Although several proposals in literature relate self-organization aspects in WSNs, sometimes implicitly, they do not provide any general and practical vision that can be used by new designs and developments. Additionally, the design process of self-organizing functions may not be trivial, because there are not formal methods of mapping desired global goals to local interaction rules. Thus, this thesis advances with two particular aspects of the concept application in the WSN domain. First, a design guideline is proposed to direct the design and the development of new self-organizing functions. Its advantage consists of a better understanding and the specification of self-organizing functions through general aspects and mechanisms. Second, a management scheme is presented, and it considers practical aspects of WSNs such that different requirements and global goals may be needed by an external application or management entity. Thus, the scheme allows the network operation in a self-organizing way in a lower level, and it also allows the action over local rules by centralized entities in a higher level, which has a wider network vision about the external needs and the network performance according to different goals.Based on the proposed general aspects, this work also gives two individual contributions regarding specific WSN functions. First, the objectivity needed in WSNs is shown through the development of a routing solution. In particular, a pro-active and a reactive self-organizing routing proposal are combined in a hybrid adaptive solution, called Multi, which extends the self-organization application in a practical approach. Second, the need of considering different self-organizing functions in an integrated design is presented in a solution, called RDC-Integrated, which considers the routing and density control functions.
Subject: Sistemas de comunicação móvel
Computação
Sistemas de comunicaçâo sem fio
Redes de computadores
Sistemas de computação sem fio
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/RVMR-788NPM
Issue Date: 1-Feb-2007
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