Modelos Previos De Simulación En OPNET

Debido a que el diseño del estándar IEEE 802.15.4 permite la implementación de radio transceptores con consumo de potencia extremadamente bajo comparado con actuales tecnologías inalámbricas y ya que se caracteriza por enfocarse en redes inalámbricas de sensores, se tomó como objetivo inicial de este trabajo de tesis, implementar nuestra propuesta de agrupamiento para redes WSAN bajo un modelo de simulación con las características en las capas física y MAC de acuerdo al estándar IEEE 802.15.4. La versión actual en OPNET trae en sus librerías un modelo de nodo llamado Zigbee (de acuerdo a la especificación IEEE 802.15.4/Zigbee) que tiene capa física y MAC IEEE 802.15.4 y capa de red y aplicación de acuerdo a la especificación Zigbee, sin embargo no se pudo usar este modelo ya que las dos capas superiores no proporcionan el código fuente (a menos que se cuente con una membresía Zigbee) y es muy complejo el tratar de usar ese modelo sin saber como realizar la comunicación entre capas.

B.2.1 Modelo De Simulación IEEE 802.15.4: Capas Física Y MAC

Debido a la imposibilidad de utilizar el modelo de nodo Zigbee, se obtuvieron dos modelos de simulación de open-ZB que es un sitio web que ayuda en la difusión de implementaciones en código abierto de protocolos IEEE 802.15.4/Zigbee (Open-ZB, 2007). Estos modelos de simulación implementan la capa Física y MAC IEEE 802.15.4 en OPNET. En la Figura 51 y Figura 52 se muestra el modelo de nodos del Nodo Sensor v1 y Nodo Sensor v2 respectivamente, implementado en OPNET con capa MAC operando en modo con Beacon habilitado.

Figura 51. Modelo de nodo y modelo de procesos de capa MAC del Nodo Sensor v1.

Las características de estos modelos son:

La capa física consiste de un radio trasmisor tx y un receptor rx con la especificación IEEE 802.15.4, con frecuencia de operación en la banda 2.4 GHz y tasa de datos de 250 kbps, potencia de transmisión de 1 mW y técnica de modulación QPSK

La capa MAC implementa el mecanismo CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access- Collision Avoidance) y el mecanismo GTS (Guaranteed Time Slot, por sus siglas en inglés). El tráfico de datos GTS (solo en versión 2) que generan los nodos con tráfico con tiempo critico, que proviene de la capa de aplicación en el módulo GTS Traffic Source, se almacena en un buffer con una capacidad específica y se envía a la red cuando el GTS correspondiente está activo. Mientras que las tramas de datos no criticas en tiempo, que son generadas en el módulo Sensory Data (versión 1) o Traffic Source (versión 2) se almacenan en un buffer sin límite y basado en el algoritmo CSMA-CA ranurado y transmitidos a la red durante el CAP. Esta capa también es responsable de la generación de tramas Beacon y sincronización de la red cuando el nodo es un Coordinador PAN.

La capa de Aplicación consiste de dos generadores de tráfico de datos: Traffic Source y GTS Traffic Source y un módulo Sink. La fuente Traffic Source genera tramas de datos con y sin reconocimiento. El módulo GTS Traffic Source puede producir tramas de datos con o

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sin reconocimiento usando el mecanismo GTS en la capa MAC (versión 2). En la versión 1 el módulo Sensory Data genera datos sin reconocimiento. El módulo Sink recibe tramas que han enviado las capas inferiores y realiza estadísticas.

El módulo Battery calcula la energía consumida y residual en los nodos de acuerdo a los

valores manejados en gasto de corriente, los cuales están especificados para dispositivos MICAZ de la compañía Crossbow. La Tabla V muestra algunas de las especificaciones de este dispositivo.

Tabla V. Especificaciones del dispositivo MICAZ

Transceptor RF

Banda de Frecuencia 2400 MHz a 2483.5 MHz Banda ISM Tasa de trasmisión (TX) de datos 250 kbps

Potencia RF -24 dBm a 0 dBm

19.7 mA En modo de Recepción

11 mA TX, -10 dBm

14 mA TX, -5 dBm

17.4 mA TX, -0 dBm

20 µA Modo Idle

Drenado de corriente

Figura 52. Modelo de nodo y modelo de procesos de capa MAC del Nodo Sensor v2.

El modelo de simulación del Nodo Sensor v2, ofrece calidad de servicio (QoS) a través del mecanismo GTS. El dispositivo hace una petición hacia el Coordinador PAN del número de ranuras de tiempo garantizadas (GTS) que solicita, si hay disponibles esas GTS en la estructura de la supertrama, el Coordinador PAN le informará al dispositivo cuales son las ranuras de tiempo que le ha asignado y las usará para transmitir sus datos sin contender por el canal con otros dispositivos.

B.2.2 Modelo De Simulación IEEE 802.11: Capa De Red.

Se estudió un algoritmo de enrutamiento realizado en (Gallardo Lopez, et al., 2007) aplicado a redes WSN. Dicho algoritmo, se desarrolló sobre capas inferiores IEEE 802.11, en un ambiente de simulación OPNET. El algoritmo usado en capa de red permite el enrutamiento a través de trayectorias múltiples entre cada nodo sensor y el sumidero, cada ruta tiene asignado un peso que se da de acuerdo a la energía de la trayectoria, de tal forma que cuando las rutas principales se saturan o se desgastan, pueden usarse las rutas alternas. El modelo de nodo del Nodo Sensor IEEE 802.11 con capa de red implementando el algoritmo de enrutamiento por trayectorias múltiples se muestra en la Figura 53.

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Figura 53. Modelo de nodo y modelo de procesos de capa de red del Nodo Sensor IEEE 802.11 con algoritmo de enrutamiento por trayectorias múltiples.

En este algoritmo los mensajes de datos que genera un nodo A y que van dirigidos al nodo B que formar parte de la ruta hacia el sumidero, serán almacenados en el mismo buffer en el que se guardan los mensajes de datos generados por la capa de aplicación del nodo B. Después el nodo B aplicara el algoritmo GLS (Generalized Load Sharing) para transmitir sus datos y el de otros nodos hacia el siguiente salto. El paquete de datos que retransmite un cierto nodo no tiene una trayectoria fija por la que tendrá que viajar hacia el sumidero, sino que ahora en cada nodo sensor se decidirá la trayectoria para ese paquete de datos, lo que ocasionará que se distribuya la carga de manera más homogénea entre los nodos cercanos al sumidero.