1 DDBP: Avaliac ¸˜ ao Experimental para o Provimento de Qualidade de Servic ¸o em Redes IEEE 802.15.4 Ricardo Moraes  , Tiago Semprebom † , Eduardo Arnold  , Guilherme Damasio  , Carlos Montez   UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina, Brasil † IFSC - Instituto Federal de Santa Catarina, Cˆ ampus S˜ ao Jos´ e, Brasil {ricardo.moraes,eduardo,guilherme}@ufsc.br, tisemp@ifsc.edu.br, montez@das.ufsc.br Resumo—Atualmente, o IEEE 802.15.4/ZigBee ´ e considerado uma das mais importantes tecnologias utilizadas em Redes de Sensores Sem Fio (RSSF). Nessas redes, as transmiss˜ oes de mensagens ou alocac ¸˜ ao de GTS (Guaranteed Time Slot) s˜ ao coordenadas por um mecanismo baseado em CSMA/CA, sem qualquer esquema adicional de diferenciac ¸˜ ao de tr´ afego. Em um trabalho anterior propusemos uma abordagem que atribui prioridades para as mensagens com base no modelo de tarefas (m,k)-firm. Neste artigo apresenta-se, de forma complementar, uma an´ alise experimental com a finalidade de definir os melhores parˆ ametros para priorizar mensagens. A an´ alise experimental considera um cen´ ario realista, no qual um conjunto de nodos sensores, implementando o esquema proposto, funciona na mesma ´ area de cobertura de outro conjunto de nodos que n˜ ao pertence a mesma infraestrutura da RSSF. Keywords—IEEE 802.15.4, Redes de Sensores sem Fios, WPAN, Tempo Real. I. I NTRODUC ¸˜ AO Os interesses atuais de uso das RSSF variam de simples sistemas de controle de temperatura de uma residˆ encia at´ e complexos sistemas de Automac ¸˜ ao Industrial. Neste contexto, diversas aplicac ¸˜ oes necessitam atender requisitos temporais. O padr˜ ao IEEE 802.15.4 define uma arquitetura para uma LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Network) que abrange as camadas F´ ısica e de Enlace de dados. Apesar deste padr˜ ao n˜ ao ter sido desenvolvido para RSSF, as caracter´ ısticas como baixo custo, consumo energ´ etico e taxa de transmiss˜ ao se en- caixam nas caracter´ ısticas de diversas aplicac ¸˜ oes que utilizam estas redes. Este trabalho aborda a utilizac ¸˜ ao de RSSF IEEE 802.15.4 para suportar aplicac ¸˜ oes com requisitos temporais de comunicac ¸˜ ao. Aplicac ¸˜ oes de tempo real (TR) peri´ odicas as- sumem, usualmente, que todas as suas ativac ¸˜ oes ser˜ ao execu- tadas, ou seja, que todos os seus deadlines ser˜ ao atendidos a cada per´ ıodo. No caso de aplicac ¸˜ oes de TR que envolvem envio de mensagens via rede, isso implica que todas as men- sagens enviadas precisam alcanc ¸ar seus destinos antes de seus deadlines. Por outro lado, existem aplicac ¸˜ oes que o descarte de algumas mensagens pode ser tolerado ou compensado, desde que estes descartes ocorram de forma esparsa. Diversos trabalhos exploram estas caracter´ ısticas [3], [5], [10], [15]. A tolerˆ ancia a perdas de deadlines pode ser expressa como uma porcentagem. Em uma rede IEEE 802.15.4 operando no modo com beacon, por exemplo, uma tarefa peri´ odica pode assumir que seu per´ ıodo coincide com o per´ ıodo do superquadro e pode desejar realizar suas transmiss˜ oes em pelo menos um compartimento (slot) de cada superquadro - 100% de deadlines atendidos. Para uma outra tarefa, a execuc ¸˜ ao de uma transmiss˜ ao a cada dois superquadros consecutivos pode ser suficiente - 50% de deadlines atendidos. Esta tolerˆ ancia ´ e dependente da aplicac ¸˜ ao, sendo poss´ ıvel usar t´ ecnicas de interpolac ¸˜ ao ou estimac ¸˜ ao, como filtro de Kalmann [9], para compensar o n˜ ao recebimento de uma mensagem peri´ odica. O protocolo IEEE 802.15.4 prevˆ e garantias para aplicac ¸˜ oes de TR, atrav´ es do uso de compartimentos garantidos (GTS), que permite que no m´ aximo sete compartimentos sejam alo- cados em cada superquadro, durante o per´ ıodo sem contenc ¸˜ ao (CFP). Este recurso escasso ´ e rapidamente exaurido, caso se considere redes com grande quantidade de nodos. Para melhorar o mecanismo de alocac ¸˜ ao de GTS, apresentamos em [11] um novo modelo de alocac ¸˜ ao de GTS para RSSF operando no modo com beacon, o qual foi ampliado e, posteriormente, publicado em [13]. Um dos problemas desta e outras abordagens centralizadas ´ e que elas consideram um meio de comunicac ¸˜ ao controlado, ou seja, consideram que n˜ ao h´ a outros dispositivos comunicantes no mesmo canal e que estejam fora da esfera de controle da aplicac ¸˜ ao de TR 1 . Logo, para cen´ arios mais realistas, dois importantes fatores devem ser levados em considerac ¸˜ ao quanto a utilizac ¸˜ ao de redes sem fios para o suporte de aplicac ¸˜ oes TR: (i) o algoritmo de controle das colis˜ oes (backoff ) definido pelo padr˜ ao n˜ ao ´ e determinista, e (ii) o meio f´ ısico ´ e essencialmente um ambiente de comunicac ¸˜ ao aberto, podendo qualquer estac ¸˜ ao realizar tentativas de acesso para estabelecer um canal de comunicac ¸˜ ao. Por fim, interferˆ encias de sistemas utilizando outras tecnolo- gias e operando na mesma frequˆ encia de transmiss˜ ao podem ocorrer [7]. Tradicionalmente, a comunicac ¸˜ ao TR em redes cabeadas ´ e garantida atrav´ es do controle de todos os dispositivos comu- nicantes. A coexistˆ encia entre estac ¸˜ oes TR e n˜ ao tempo real (NTR) torna-se poss´ ıvel, por exemplo, atrav´ es de mecanismos de suavizac ¸˜ ao de tr´ afego aplicados ` as estac ¸˜ oes NTR [6]. Infe- lizmente, esta e outras abordagens que consideram um meio de comunicac ¸˜ ao fechado n˜ ao s˜ ao adequadas para ambientes de comunicac ¸˜ ao sem fio, uma vez que n˜ ao ´ e poss´ ıvel impor 1 Sempre que uma entidade TR estiver dentro da esfera-de-controle, o sistema tem autorizac ¸˜ ao para mudar todos os valores desta entidade, caso contr´ ario, estes valores podem ser observados mas n˜ ao podem ser modificados.