Melhorando a Eficiência em Redes IoT

No mundo digital de hoje, a Internet é uma parte enorme da nossa vida diária. Ela conecta várias áreas como cidades inteligentes, agricultura, indústria e saúde. No centro dessa conexão tá a Internet das Coisas (IoT), que liga um monte de dispositivos à Internet. Muitos desses dispositivos são baratinhos, mas também têm limitações em energia, poder de computação, armazenamento e comunicação. Pra terem sucesso, esses dispositivos precisam funcionar direitinho e economizar energia enquanto continuam conectados.

A eficiência energética é uma preocupação grande nos sistemas de IoT. Pesquisadores do mundo todo estão tentando melhorar o desempenho enquanto mantêm o uso de energia lá embaixo. Uma área importante é a camada de controle de acesso ao meio (MAC), que gerencia como os dispositivos compartilham um canal de comunicação, geralmente uma conexão sem fio. O padrão IEEE 802.15.4e foi criado para aplicações industriais e inclui diferentes modos operacionais de MAC. Dentre esses, o Time Slotted Channel Hopping (TSCH) é o mais destacado, usado em vários padrões.

#Noções Básicas de TSCH

A abordagem TSCH combina acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) com troca de canais. Esse método cria um sistema de acesso duplo baseado em slots de tempo e canais de comunicação. Cada slot de tempo em um canal específico é chamado de célula. Um dispositivo de IoT decide o que fazer durante um slot de tempo: ele pode enviar dados, receber dados ou ir dormir pra economizar energia. As ações dos dispositivos precisam ser bem coordenadas pra que o sistema funcione de forma eficiente.

Quando um dispositivo quer entrar em uma rede, ele primeiro escuta sinais de nós já existentes pra se sincronizar com a rede. Depois de se sincronizar, o dispositivo tenta se juntar à rede e começa a reservar seus slots de tempo de comunicação. O processo é organizado, mas pode ficar complicado, especialmente quando tem muitos pacotes de controle envolvidos. Muitos pacotes de controle podem desperdiçar energia e diminuir o desempenho da rede.

#O Protocolo 6TiSCH

O modo TSCH faz parte da pilha de protocolos 6TiSCH, que permite uma comunicação melhor nas redes de IoT, especialmente em ambientes industriais. A pilha inclui uma Função de Agendamento (SF) e um protocolo de roteamento chamado RPL. A SF gerencia como os slots de tempo são alocados pra comunicação, enquanto o RPL ajuda a manter a estrutura da rede, gerenciando quais dispositivos enviam dados pra quais outros dispositivos.

No entanto, existem desafios em como essas duas camadas trabalham juntas. Se não forem gerenciadas corretamente, os dispositivos podem ter dificuldade em enviar suas mensagens de controle, levando a atrasos e aumento do uso de energia. Quando os dispositivos mudam seus pais de dados, o processo também pode ficar ineficiente se houver um descompasso entre os slots de tempo disponíveis e o que os dispositivos precisam.

#Problemas na Formação da Rede

Um grande problema é a incapacidade de dispositivos fora do gráfico de comunicação principal de enviar suas mensagens rapidamente. Essa situação dificulta a entrada deles na rede e requer mais energia, especialmente durante a fase de configuração da rede. Além disso, se a Função de Agendamento não considerar os slots de tempo reservados anteriormente ou o estado da fila de comunicação, isso pode levar a atrasos e até pacotes perdidos.

Pra melhorar essa situação, novas estratégias precisam abordar o equilíbrio entre pacotes de controle e o gerenciamento da comunicação entre dispositivos. Essa abordagem vai ajudar a acelerar o processo de dispositivos entrando na rede enquanto também conserva energia.

#Soluções Propostas

O foco da nossa abordagem é melhorar a interação entre a Função de Agendamento e o RPL. Ao fazer isso, queremos minimizar o número de pacotes de controle trocados, reduzir falhas durante a troca de nós pais e evitar perdas de pacotes devido a filas cheias.

#Simplificando Pacotes de Controle

Pra deixar o sistema mais eficiente, estamos propondo combinar certas mensagens de controle. Em vez de enviar pacotes separados pra propósitos diferentes, nosso método insere informações essenciais em pacotes existentes. Essa mudança vai reduzir o número de mensagens transmitidas e tornar o processo mais rápido.

#Gerenciando Mudança de Pais

Quando um dispositivo quer mudar seu pai de dados, pode ser complicado por causa da incerteza sobre os slots de tempo disponíveis do novo pai. Essa confusão pode levar a um consumo de energia desnecessário. Sugerimos modificar as mensagens de controle enviadas pelos dispositivos pra incluir uma lista de slots de tempo disponíveis. Essa mudança garante que um dispositivo só mude pra um pai que tenha espaço suficiente pra sua comunicação.

#Reduzindo Jitter e Latência

Jitter, que se refere à variação nos tempos de chegada dos pacotes, impacta negativamente o desempenho da rede. Pra lidar com isso, nossa abordagem inclui uma seleção melhor de slots de tempo baseada na proximidade, em vez de escolhas aleatórias. Essa estratégia deve tornar o processo de transmissão mais suave e estável.

#Evitando Perda de Pacotes

A perda de pacotes acontece com frequência quando as filas ficam cheias, causando atrasos no envio das mensagens. Pra resolver isso, recomendamos definir um tamanho máximo pras filas de comunicação. Fazendo isso, os dispositivos podem solicitar mais slots de tempo proativamente antes que a fila fique cheia. Essa medida proativa deve diminuir as chances de perder pacotes.

#Simulação e Resultados

A eficácia das nossas estratégias propostas foi testada através de simulações projetadas pra refletir condições do mundo real. Avaliamos várias métricas de desempenho, incluindo o tempo que leva pra os dispositivos se juntarem à rede, a energia consumida, a quantidade de tráfego e latência.

#Tempo de Junção

Nossos resultados mostram que dispositivos usando o novo método conseguem entrar na rede mais rapidamente do que aqueles usando a abordagem tradicional. Tempos de junção mais rápidos significam menos energia desperdiçada durante a fase de início, melhorando a eficiência geral.

#Consumo de Energia

A energia usada durante a operação é um aspecto crucial dos sistemas de IoT. Nossas simulações revelaram que as estratégias propostas levaram a um consumo de energia menor em comparação aos métodos convencionais. Ao reduzir o número de mensagens de controle e otimizar o processo de troca, conseguimos manter o uso de energia sob controle.

#Entrega de Pacotes e Comunicação

Uma parte essencial da operação da rede é o número de pacotes enviados e recebidos. A nova abordagem melhorou as taxas de transmissão, permitindo que mais dados fluam pela rede. Essa melhoria indica que os dispositivos utilizam melhor os recursos disponíveis e se comunicam de forma mais eficaz.

#Latência e Jitter

Latência mede o tempo que os dados levam pra viajar de um ponto a outro na rede. Nossas descobertas indicam que as soluções propostas reduziram significativamente a latência, tornando a transmissão de dados mais rápida. Além disso, o jitter médio foi reduzido, resultando em uma experiência mais consistente pra os usuários que dependem de dados em tempo real.

#Conclusão

Esta pesquisa mostrou que é possível melhorar as operações das redes 6TiSCH otimizando como a Função de Agendamento e o RPL trabalham juntos. Ao implementar estratégias que reduzem o número de pacotes de controle, melhoram a troca de pais e gerenciam as filas de forma eficaz, conseguimos alcançar um desempenho melhor em termos de tempo de junção, uso de energia e taxas de transmissão de dados.

As soluções propostas abordam desafios críticos presentes nas estruturas existentes, abrindo caminho pra redes de IoT mais confiáveis e eficientes. Embora ainda haja desafios a serem enfrentados, nossa abordagem oferece uma base sólida pras futuras melhorias nesse campo.

Com o avanço contínuo das tecnologias digitais, melhorar a forma como os dispositivos se conectam e se comunicam será vital pro futuro das aplicações de IoT em vários setores.