O monitoramento das condições no fundo dos oceanos e de outros ambientes aquáticos ajuda a compreender a importância desse ecossistema na regulação do clima, na absorção de gás carbônico e no provimento de recursos primários, além de ser fundamental para a prevenção de catástrofes e para o controle do impacto da atividade humana. No entanto, as tecnologias de coleta de indicadores de temperatura, pressão, salinidade, pH, concentração de nitratos e intensidade das ondas ainda são bastante limitadas. Missões oceânicas com essa finalidade são caras, sujeitas às condições meteorológicas e arriscadas para a vida dos envolvidos.

Contemplado na edição 2018 do Grande Prêmio UFMG de Teses, na área de Ciências Exatas e da Terra e Engenharias, o trabalho Controle de topologia e roteamento oportunístico em redes de sensores aquáticas, do pesquisador Rodolfo Wanderson Lima Coutinho, consistiu no desenvolvimento de modelos matemáticos para solução de problemas que limitam a transmissão autônoma, eficiente e em larga escala por redes de sensores sem fio no fundo do mar.

“O vazio de comunicação, que ocorre quando não há um sensor para continuar a transmissão, a baixa confiabilidade e o alto custo energético do canal acústico, que se vale de frequências de rádio, foram alguns dos problemas levados em consideração”, exemplifica o autor, que atualmente faz residência pós-doutoral na Universidade de Ottawa, no Canadá. Coutinho explica que o canal acústico é um dos mais eficientes para comunicação sem fio em redes subaquáticas, mas apresenta elevada taxa de erros, em razão da influência de variáveis como temperatura, turbulência e atividades de navios.

No trabalho desenvolvido no âmbito do Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação, Rodolfo Coutinho projetou algoritmos e protocolos para o controle de topologia (organização dos elementos de comunicação) e para estratégias de envio de dados, visando à confiabilidade na coleta de informações e ao prolongamento da vida útil das redes de sensores. “O estudo indicou também que a potência de transmissão deve ser regulada para equilibrar o consumo de energia e para remover nós sensores vizinhos desnecessários”, informa. Os nós sensores são dispositivos computacionais dotados de modem para comunicação, memória para o armazenamento de dados e processador.

Conectividade

O controle da topologia, por meio do ajuste da profundidade dos nós sensores, melhora a conectividade da rede e o desempenho da transmissão, já que, segundo o autor da pesquisa, reduz a proporção de nós desconexos e também de nós em vazios de comunicação. “O roteamento oportunístico – em que vários nós, no lugar de apenas um, são selecionados a cada salto para continuar transmissão do pacote de dados até o destinatário – também é capaz de aprimorar a efetividade da rede”, explica Rodolfo Coutinho.

O trabalho também revelou alguns desafios inerentes ao paradigma do roteamento oportunístico, até então bastante consolidado na literatura sobre o tema. “Apesar das várias vantagens, o método provoca a superutilização de alguns poucos nós sensores em detrimento dos demais, o que resulta no esgotamento precoce da bateria”, argumenta o pesquisador.

Para Rodolfo Coutinho, sua pesquisa alinha-se à tendência de contínuo amadurecimento da tecnologia das redes aquáticas, que caminha para viabilizar a coleta de dados nos oceanos em tempo real, em maior escala e de forma cada vez mais eficiente.  “Os algoritmos desenvolvidos podem ser usados para ajustar a profundidade dos sensores, visando à melhoria da cobertura da rede. Os modelos matemáticos criados para identificar nós sensores centrais, do ponto de vista de roteamento, poderão ser considerados para o planejamento da mobilidade de veículos autônomos aquáticos, o que reduzirá a necessidade de missões oceânicas para a manutenção dos sistemas”, projeta Coutinho.

Tese: Controle de topologia e roteamento oportunístico em redes de sensores aquáticas

Autor: Rodolfo Wanderson Lima Coutinho

Orientadores: Antonio Alfredo Ferreira Loureiro (UFMG) e Azzedine Boukerche (Universidade de Ottawa)

Defendida no Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação (DCC), em março de 2017. Vencedor do Grande Prêmio UFMG de Teses na área de Ciências Exatas e da Terra e Engenharias

(Texto de Matheus Espínola - Boletim UFMG 2.042)