Capitolo 1
Introduzione
Una rete di sensori `e costituita da un’insieme di nodi sensore disposti all’interno di un’area da monitorare. I singoli nodi rilevano le grandezze fisiche di interesse, compiono delle elaborazio-ni sui dati acquisiti e comuelaborazio-nicano con gli altri dispositivi in modo wireless. All’interno di una rete di sensori `e presente almeno un nodo specializzato detto sink che agisce come gateway tra l’ambiente osservato e il mondo esterno. Un utente pu `o interagire con la rete collegandosi da remoto al sink e formulando un’interrogazione che descrive i dati d’interesse. Il sink propaga l’interrogazione nella rete, raccoglie i dati e restituisce il risultato all’utente. La comunicazione wireless tra i nodi avviene attraverso un’architettura di rete ad hoc multi-hop: anche i nodi che non si trovano in visibilit`a diretta possono comunicare tra loro sfruttando un percorso che coin-volge i nodi vicini. In una situazione del genere non c’`e alcun tipo di infrastruttura e ogni nodo si comporta da router; ovviamente `e necessario un protocollo che fornisca ai nodi le informazioni necessarie per l’instradamento.
I nodi sensore sono dispositivi di piccole dimensioni e dal costo unitario molto ridotto: il loro prezzo ideale `e pari ad un dollaro. Queste caratteristiche consentono di impiegare le reti di sen-sori in scenari applicativi ad ampio spettro: monitoraggio ambientale, rilevazione tempestiva di disastri naturali (incendi, terremoti ecc.), acquisizione di dati fisiologici e molto altro ancora. I dispositivi sensore sono caratterizzati da risorse energetiche e computazionali estremamente limitate: la loro fonte di alimentazione `e una batteria che nella quasi totalit`a dei casi non pu `o essere sostituita n´e ricaricata, se non ricavando l’energia dall’ambiente (energy scavenging). L’a-spetto energetico `e fondamentale in una rete di sensori in quanto l’autonomia dei singoli nodi determina il tempo di vita dell’intera rete [Aky 02]. Le pi `u recenti soluzioni tecnologiche e ar-chitetturali consentono di ridurre il consumo energetico di un singolo nodo ma da sole non sono sufficienti perch´e non considerano l’influsso dell’ambiente, le interazioni tra i dispositivi e le lo-ro modalit`a di comunicazione. L’autonomia dell’intera rete pu `o essere massimizzata solo se il risparmio energetico diventa l’obiettivo fondamentale in tutti i livelli che compongono una rete di sensori, dall’hardware ai protocolli di comunicazione di alto livello.
Un meccanismo che consente di ottenere dei vantaggi per quanto riguarda l’autonomia dei singoli nodi consiste nella definizione di un duty-cycle, ovvero nella suddivisione del tempo in intervalli di attivit`a e di inattivit`a che si ripetono periodicamente. Durante il periodo di atti-vit`a il nodo pu `o comunicare con gli altri mentre durante quello di inattiatti-vit`a pu `o entrare in uno stato a basso consumo (sleep). Quando si trova nello stato di sleep un dispositivo ha un
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sumo energetico pressoch´e trascurabile rispetto a quello tipico in condizioni operative [Rag 02]. Questa considerazione evidenzia come la strategia basata su duty-cycle possa effettivamente essere impiegata vantaggiosamente come meccanismo di risparmio energetico. Ovviamente la definizione dei periodi di attivit`a e di inattivit`a deve coinvolgere l’intera rete in modo che la comunicazione tra i nodi risulti sincronizzata. A questo scopo `e possibile definire un protocol-lo di sleep scheduling distribuito, che consenta ai dispositivi di scegliere i propri parametri di funzionamento in modo coordinato.
Recentemente `e stato rilasciato lo standard IEEE 802.15.4 [Std 802.15.4] per le Low Rate Personal Area Networks (LR-PAN): lo standard definisce un insieme di meccanismi per la comunicazione a corto raggio e a bassa velocit`a. I suoi obiettivi fondamentali sono il consumo energetico estrema-mente ridotto e la limitata complessit`a realizzativa, aspetti che lo rendono particolarestrema-mente adatto alle reti di sensori. Lo standard prevede due meccanismi fondamentali per quanto riguarda il risparmio energetico: una modalit`a di trasferimento dati basata su polling e la definizione di un duty-cycle. A tale scopo lo standard fornisce un servizio di sincronizzazione immediatamente utilizzabile in reti single-hop in cui un solo nodo svolge il ruolo di coordinatore per tutti gli altri nodi che si trovano nel suo raggio di copertura. Tuttavia una rete di sensori tipicamente ha una struttura multi-hop che consente di coprire un’area anche piuttosto estesa. In questo scenario il servizio base di sincronizzazione da solo si rivela inadeguato, perci `o deve essere affiancato da altri meccanismi che non sono stati inclusi nello standard. Bisogna considerare che da qualche tempo `e attivo il Task Group 4b [Tg4b] il cui scopo `e estendere e migliorare il precedente stan-dard IEEE 802.15.4. Il Task Group 4b `e attualmente al lavoro sulle specifiche IEEE 802.15.4b, la cui approvazione definitiva `e prevista nella met`a del 2006.
In questa tesi lo schema di sincronizzazione basato su duty-cycle `e stato esteso per supportare una rete ad hoc multi-hop. Inoltre `e stato sviluppato un protocollo di sleep scheduling adattivo che consente di variare i periodi di attivit`a dei nodi in base alle condizioni del traffico in mo-do completamente distribuito. Il protocollo `e stato valutato per mezzo di simulazioni conmo-dotte con lo strumento ns [Ns Web]. Il protocollo di sleep scheduling ha una complessit`a ridotta e un overhead molto limitato, risultando cos`ı adeguato alle caratteristiche dei nodi sensore comune-mente utilizzati. Inoltre il protocollo `e in grado di recuperare la sincronizzazione anche in caso di perdita dei pacchetti.
La tesi `e organizzata come segue. Il capitolo 2 descrive le principali caratteristiche di una rete di sensori, l’architettura dei singoli nodi e i protocolli di comunicazione utilizzati. Il capitolo 3 introduce gli aspetti fondamentali dello standard IEEE 802.15.4. Il capitolo 4 presenta il pro-tocollo di sleep scheduling vero e proprio insieme alla sua modellazione sulle primitive offerte dallo standard IEEE 802.15.4. Il capitolo 5 descrive brevemente l’ambiente di simulazione ns e le sue principali caratteristiche. Il capitolo 6 fornisce una descrizione di come il protocollo di sleep scheduling `e stato realizzato all’interno dell’ambiente di simulazione. Il capitolo 7 esamina le prestazioni del protocollo di sleep scheduling in relazione ad alcuni aspetti fondamentali. Infine il capitolo 8 espone le conclusioni di questa tesi.
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cedenza – che meritano di essere trattati separatamente. L’appendice A presenta la piattaforma Berkeley Motes e il sistema operativo TinyOS. L’appendice B descrive le prestazioni dello stan-dard IEEE 802.15.4 per quanto riguarda alcuni aspetti importanti ai fini dello scheduling. Infine l’appendice C riporta in dettaglio gli algoritmi utilizzati dal protocollo di scheduling (presentati nel capitolo 4).
