Códigos de redundancia cíclica o CRC:
Capítulo 5 Redes inalámbricas para sensores
5.3 Aspectos físicos destacados
5.3.3 Arquitectura de red de sensores inalámbricas
En una clasificación preliminar de la arquitectura de redes inalámbricas de sensores se pueden distinguir dos tipos de redes: a) de infraestructura, y b) las llamadas ad-hoc (ver figura 5.3).
Figura 5.3 a) Infraestructura y b) arquitectura ad-hoc de WSN.
5.3.3.1 Infraestructura
Las redes inalámbricas extienden, habitualmente, en lugar de reemplazar redes cableadas, y se conocen con el nombre de redes de infraestructuras [41]. Una jerarquía de área amplia y área local cableada de redes, se utiliza como la red troncal. El cable backbone se conecta a los nodos switch especiales llamados ―Estaciones Base‖. Dentro de las redes de infraestructura, la tecnología
inalámbrica de acceso desde y hacia el nodo, se produce en el último salto, entre las estaciones base y los nodos, que comparten el ancho de banda el canal inalámbrico [42].
5.3.3.2 Ad-hoc
Las redes ad-hoc, por el contrario, son redes inalámbricas multi-salto (multi-hop) en las que un conjunto de nodos cooperan para mantener la conectividad de la red. Esta arquitectura de red bajo demanda, está completamente libre de los cables físicos. Se caracterizan por su topología, dinámica e impredecible, se desarrolla al azar, es multi-salto (multi-hop) y no posee el soporte de la infraestructura. Los nodos móviles periódicamente cambian de topología, información ésta, que se utiliza para las actualizaciones del enrutamiento. Refiriéndose a la pila de protocolos, el tradicional modelo ISO/OSI se modifica como se muestra en la siguiente figura. La principal diferencia es la presencia de
Figura 5.4 Pila de protocolos, del tradicional modelo ISO/OSI, modificado.
La Capa Física es responsable de la selección de frecuencias, la modulación y la codificación de datos. Es bien sabido que las comunicaciones de larga distancia no son eficientes en términos de consumo de energía y de la complejidad de su implementación, esto sugiere la adopción de transceptores de corto alcance. Además, este enfoque puede superar la sombra y los efectos de atenuación de la señal en el espacio (Pathloss) cuando se tratan de implementaciones de redes multi-salto. La mayoría de las soluciones comerciales disponibles aplican modulación en el espectro de propagación, y las tasas de datos que ofrecen, están en el orden de 0.1- 1Mbps. La banda ocupada es la ISM (porción del espectro libre cerca de los 2,4 GHz). El consumo de energía es del orden de 10 mA para la transmisión / recepción, y se reduce a menos de 1 mA en modo de espera.
La Capa de Enlace de Datos es responsable de la multiplexación de flujos de datos, los datos de detección de tramas, control de acceso al medio (MAC), y el control de errores. Desde la MAC se controla el radio enlace, abarcado por la emisión, que tiene un gran impacto en el consumo total de energía, y por lo tanto, el tiempo de vida de un nodo. El aire es un medio compartido y debe ser asignado a bastantes nodos, la MAC decide cuándo los nodos de la competencia puede tener acceso al canal de radio y trata de garantizar que no existan interferencias con las transmisiones de otros nodos.
Los dos enfoques principales son: los de contención, y los que se basan en la programación.
El primero permite dejar el trato de las colisiones a los nodos, para contender por el recurso, en el segundo la programación regula los accesos, por lo general hay
Sólo para dar un ejemplo, IEEE802.15.4, aplica Acceso Múltiple con detección de Portadora y Prevención de Colisiones (CSMA / CA) que pertenece a los métodos de contención. Mientras que IEEE802.15.1 adopta TDMA, como un enfoque de programación.
La capa MAC opera en una escala local y carece de la información global para optimizar el tiempo de vida de la red, pero debe garantizar que la energía que gasta, sea proporcional a la cantidad de tráfico que maneja.
Los protocolos basados en la programación son los más eficientes, a costa de la reducción de flexibilidad, por el contrario, los basados en disputa tienden al colapso cuando la carga se aproxima a la capacidad del canal y derrochan energía en reposo, (cuando el nodo esta sin uso, solo escuchando).
Una clasificación general se puede hacer de acuerdo a: • el número de canales de RF utilizados
• el grado de organización de los nodos
• la forma en que un nodo es notificado de un paquete entrante
Generalmente no se puede afirmar cuál es la mejor solución, que debe satisfacer las necesidades mínimas dadas por la aplicación. Algunas consideraciones sobre el entorno industrial se analizan luego.
En la Capa de Red los datos de ruteo son facilitados por las capas superiores, desde la fuente hasta el destino. De una manera más formal, las fuentes son las entidades que proporcionan datos y mediciones, mientras que los destinos son los nodos en los que es necesaria la información. En un solo salto de la arquitectura, la información va desde las fuentes a los destinos que están directamente
comunicados entre sí por un enlace de radio. Mientras que en la arquitectura multi-salto de los nodos se puede recibir y enviar información que no está destinada a ellos en particular, sino que va dirigida a otro nodo de la red.
Las topologías utilizadas en redes inalámbricas de sensores son: estrellas, malla, y topologías híbridas estrella-malla, como se muestra en la siguiente figura.
La topología estrella de la izquierda depende de la cantidad y la frecuencia de los datos que se transmitirán, la distancia de transmisión, los requisitos de la vida para la batería , la movilidad y el nivel de carga en el nodo sensor. Una topología en estrella es un sistema de un solo salto en el que un nodo en particular, el coordinador, llama y gestiona las comunicaciones de todos los demás nodos, y se comunican sólo con él. Es una especie de estructura maestro-esclavo, donde la coordinador actúa también como un puente hacia otras redes. Es una solución eficiente desde el punto de vista del aprovechamiento de la energía, que asegura una larga vida a la red, incluso si se cae un nodo. Estas topologías solo pueden manejar un pequeño número de nodos en un área pequeña.
La topología de malla es de sistemas de salto múltiple en los que todos los nodos son idénticos y pueden comunicarse entre sí, el nodo coordinador o la estación base, no es estrictamente necesaria. El sistema de maya multi-hop permite un rango de operación mucho más grande que una topología en estrella, a costa de mayores tasas de consumo de energía y una mayor latencia, de hecho, los nodos tienen un pesado ciclo de trabajo ya que la necesidad de "escuchar" los
mensajes, los cambios en la red y la latencia se relaciona con el número de "saltos" entre las fuentes y los destinos. De este modo el objetivo es llegar a un híbrido entre la arquitectura estrella y malla (también conocido como árbol de racimos).
La topología Híbrida entonces, aprovecha la baja potencia y simplicidad de la topología en estrella, así como el mayor alcance y la naturaleza de auto- reparación de una red tipo malla. Los nodos se organizan en una topología de estrella alrededor de enrutadores o repetidores que a su vez, se organizan en una red mallada. Sin embargo, la latencia puede ser un problema.
La Capa de Transporte se implementa normalmente sólo si los usuarios finales acceden a la WSN a través de Internet. Las capas superiores son por lo general resumidas en una capa general de aplicación, que se hace transparente para: el usuario final, el hardware y el software de las capas inferiores.