Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks (LEACH)

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Energy-Efficient Communication Protocol for
Wireless Microsensor Networks(LEACH)

• Wendi Heinzelman, Anantha Chandraskasan e Hari
  Balakrishnan
• Massachucets Institute of Technology

Apresentado por Sávio Cavalcanti
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Sumário

• Objetivo
• Introdução
• Modelo do Rádio
• Análise de protocolos
• LEACH
• Conclusão
• Comentários

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Objetivo do Artigo

• Protocolo de Comunicação
• Redes de Sensores
• Micro-sensores.
• Analisar protocolos existentes
• Eficiente em energia
• Impacto dissipação de energia e
• Tempo de vida do sistema.
• Propor protocolo adequado

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Introdução

• Tecnologia baseada MEMS
• Micro-sensores
• Mais baratos
• Maior quantidade
• Qualidade de sensoriamento e
• Tolerância à falhas.
• Necessidades
• Projetos de Protocolos
• Melhor consumo de energia e
• Melhor utilização da banda passante.

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Modelo de Rádio
Transmissão de uma mensagem com k bits a uma
distância d ETx (k,d) ETx-elec (k) ETx-amp
(k,d) Eelec k ?amp k d2 Recepção
desta mesma mensagem ERx (k) ERx-elec (k)
Eelec k
ETx-elec Energia dissipada/bit no
Transmissor ERx-elec Energia dissipada/bit no
Receptor ?amp Energia dissipada/bit para
amplificar
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Pressuposições

• Estação base é fixa e está longe dos nós
• Os nós são limitados em energia e homogêneos
• Todos os nós conseguem se comunicar com a estação
  base em um salto e
• Nós podem se comunicar entre si e com a estação
  base.

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Análise de protocolos

• Comunicação direta com a base
• Sensor manda diretamente para a base
• Base distante
• Grande perda de energia para transmitir
• Morte rápida e
• Tempo de vida do sistema curto.
• Base próxima
• Apenas uma recepção e
• Boa solução (possivelmente ótima)

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Análise de protocolos (2)

• Comunicação Múltiplos Saltos
• Minimum Energy routing protocol (MTE)
• Comunicação com a base através de nós
  intermediários
• Roteadores e
• n recepções e n transmissões.
• Pode ser mais oneroso que comunicação direta.

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Análise de protocolos (3)
Supondo esta rede linear a energia gasta para
transmitir uma mensagem de k bits a uma
distância de nr da estação base é de
Comunicação direta
MTE
EMTE n ETx (k,d r) (n-1) ERx-elec (k)
k ((2n-1) Eelec ?amp nr2)
EDireta ETx (k,d (n r)) k ( Eelec
?amp n2 r2)
Desta forma, a comunicação direta gasta menos
energia se
Edireta lt EMTE
Eelec ?amp n2 r2 lt (2n-1) Eelec ?amp nr2
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Resultado da simulação

• 100 nós
• Pacotes de 2000 bits
• Nó considerado morto quantidade de energia
  ultrapassou um determinado limite mínimo

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Resultado da Simulação

• Após 180 rodadas
• 100 nós
• Mensagens com 2000 bits e
• Nós vivos círculos e Nós Mortos pontos.

MTE
Comunicação Direta
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Análise de protocolos (3)

• Ambos possuem vantagens e desvantagens
• Protocolo mais eficiente
• Depende da arquitetura de rede e
• Dos parâmetros de rádio do sistema.

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Análise de protocolos (4)

• Protocolo de grupo (clustering) como solução
• Nós organizados em grupos
• Um líder por grupo (estação base local)
• Nós do grupo conversam apenas com o líder e
• Somente o líder do grupo conversa com estação
  base.
• Reduz consideravelmente o gasto de energia e
• Problema Nó líder é fixo.

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LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy

• Protocolo de grupo (clustering protocol)
• Auto-Organizável
• Trabalha com rodadas
• Distribui o consumo de energia aleatoriamente.
• Mestre do grupo não é fixo
• Eleição
• Nós se comunicam com o mestre do grupo (cluster
  head)
• Nó mestre do grupo se comunica com a base fixa.
• Nós organizam os grupos
• Grupos dinâmicos.

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LEACH (2)

• Tempo t1 d
• Novo grupo C de nós se elegem Mestre de Grupo.

• Tempo t1
• C nós se elegem Mestre de Grupo.

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LEACH (3)

• Número ótimo de mestres de grupo
• Varia de acordo com topologia
• Custo de computação x comunicação e
• Percentual da quantidade de nós da rede.

5 dos nós
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LEACH - Detalhamento

• Quatro fases
• Anúncio
• Criação do grupo
• Criação do escalonamento e
• Transmissão dos dados.

Fase Transiente
Fase Estacionária
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LEACH Detalhamento (2)

• Anúncio
• Eleição do Mestre (Cluster Head)
• Decisão de cada nó
• Escolhe um número aleatório (x) entre 0 e 1
• Se x lt T(n) (Threshold) gt Nó Mestre do Grupo.

P
, se n ? G
Grupo de Nós que não foram Mestre de Grupo nas
1/P rodadas.
1 P (r mod 1/P)
T(n)
0 , caso contrário
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LEACH Detalhamento (3)

• Anúncio
• Cada nó eleito Mestre de Grupo
• Envia esta informação a todos os nós não eleitos
• Nó não eleito
• Mantém seus receptores ligados
• Ao receber o anúncio dos líderes definem qual
  grupo vão participar
• Potência do sinal recebido.
• Término da fase.

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LEACH Detalhamento (4)

• Fase de Criação do Grupo
• Cada nó não eleito Mestre de Grupo
• Envia informação a Mestre de Grupo escohido sobre
  sua participação no seu grupo.
• Fase de Criação do Escalonamento
• Mestre do Grupo
• Recebe informação dos participantes do seu grupo
  e
• Cria escalonamento de comunicação entre os
  participantes - TDMA.

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LEACH Detalhamento (5)

• Fase de Transmissão dos Dados
• Nós mestres recebem os dados de todos os
  participantes do grupo
• Comprimem os dados e
• Encaminham à Estação Base.
• Grupos Hierárquicos.

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Simulação - Resultados

• Matlab
• Total de Mestre de Grupo 5 do total de nós

Total de energia dissipada
Tempo de vida do sistema
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Conclusão

• Mais eficiente em consumo de energia global
• Totalmente distribuído
• Sem necessidade de um controle centralizado.
• Redução do consumo
• Entre 7x e 8x se comparado com Comunicação
  Direta.
• Entre 4x e 8x se comparado com MTE.
• Mais que o dobro do tempo de vida do sistema
• Comparado com outros protocolos

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Comentários

• Necessidade de sincronismo entre os nós
• Número maior do valor ótimo de nós eleitos e
• Segurança
• Buraco Negro
• Seleção de líder malicioso
• Modelos de confiança.
• Invasão de sensores maliciosos
• Contagem de nós
• Fase de Iniciação do grupo.
• Sybil
• Métodos de autenticação.
• Etc.

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Wireless Microsensor Networks(LEACH)

• Dúvidas