*v-fCentro de Investigación Cientifica y de\\
Educación Superior de Ensenada
Protocolo de Control de Acceso al Medio (MAG) Basado en TDMA
que Proporcione calidad de Servicio y que a la Vez Sea Eficiente
en el Consumo de Energia, Aplicable a Redes de Sensores
TESIS
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MAESTRIA EN CIENCIAS
É. RUIZ BÄRRÃ
ENSENADA BAJA cFA Mexico ocruene DE zooe
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LIIZIbarra
Y ÁPROBÁDA POR EL SIGUIENTE COMITÉ
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Dr, Jos Ro 'o Gallardo Dircto/ø Comite'
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_ Íãirne Sanchez García
Miembro de/ Comité
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Dr. Još,á_A/ritoñio Garcia Macias
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Miembro del Comité
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Dr. ylfis Armando Viiiasenor González
Miembro del Comité
{í// A/ %)Ó»'l F<¬~
Dr. Arturo lásquez Ventura
Coordinador del programa de posgrado en Electrónica y
Telecomunicaciones
Dr. Ed/gar Gerardo Pavía López
Director de Estudios de Posgrado
CENTRO ,DE
INVESTIGACIÓN
CIENTIFICA
Y
DE
EDUCACION SUPERIOR DE ENSENADA
clcese
PROGRAMA DE POSGRADO EN CIENCIAS EN ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES
PROTOCOLO DE CONTROL DE ACCESO AL MEDIO (MAC)
BASADO EN TDMA QUE PROPORCIONE CALIDAD DE
SERVICIO Y QUE A LA VEZ SEA EFICIENTE EN EL
CONSUMO DE ENERGÍA, APLICABLE A REDES DE
SENSORES.
TESIS
que para cumplir los requisitos necesarios para obtener ei grado de
MAESTRO EN CIENCIAS
Presenta Joe] Ruiz Ibarra
obtención del grado de MAESTRO EN CIENCIAS en ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES. Ensenada, Baja Califortnia. Octubre de 2006.
PROTOCOLO DE CONTROL DE ACCESO AL MEDIO (MAC) BASADO EN TDMA QUE PROPORCIONE CALIDAD DE SERVICIO Y A LA VEZ SEA EFICIENTE EN EL CONSUMO DE ENERGÍA, APLICABLE A REDES DE
SENSORES.
Resumei I, r: .V AV/4
Dr, Jose' Rdo López. Dir I eTesis.
Una red de sensores inalambricos (WSN) es una red de área local auto-configurable (WLAN)
en la cual las terminales estan equipadas con algún tipo de sensor y transmiten los parámetros medidos a un conjunto de terminales receptoras llamadas sumideros, La principal diferencia entre las WLAN tradicionales y las WSN radica cn que, en general, estas últimas necesitan ser muy eficientes en el consumo de energía dado que los nodos son alimentados mediante baterias no recargables, y en que su topología varla debido a que se permite apagar uno o varios nodos por ciertos periodos para ahorrar energia.
La propuesta de mecanismo de acceso al medio que se presenta busca obtener al1on'o de energia, cuidando a la vez la calidad de servicio (QQS) de la comunicación entre los nodos sensores y el sumidcro, Esta propuesta se basa en división de tiempo (TDMA), dado que los
metodos basados en reservación, y no en contienda, son los únicos capaces de proporcionar garantias de cntrega de paquetes con limite de tiempo.
El protocolo de acceso al medio abordado en este trabajo de tesis consiste de una etapa de configurucíón previa a la de transmisión de la información medida por los sensores. La etapa de coiiƒìgrrruciórr, a su vez, consiste de un periodo de descubrimiento y reservación de una ruta entre cada nodo sensor y el sumidero de información, que satisfaga los criterios de calidad de servicio; posteriormente hay un proceso de cálculo y asignación de ventanas de actividad a los diferentes grupos de nodos que se comunican directamente (a un salto); finalmente está la
etapa de notificación a los diferentes grupos de nodos de sus respectivas ventanas de actividad que doben ser estrictamente respetadas. Por otro lado, en la etapa de trzinsmisióir de la información medida por los sensores, los nodos vecinos se coordinan para despertar
simultáneamente dentro de su respectiva ventana de actividad y transmitir información rumbo al sumidero.
En este trabajo de tesis se resuelve el problema de la asignación de ventanas de actividad a los dil`erentes grupos de vecinos a partir del mapa de rutas definido en la etapa de reservación, de información de intert`er'encias entre grupos y de requerimientos de calidad e servicio.
MASTER OF SCIENCE degree in ELECTRONICS AND TELECOMINICATIONS.
Ensenada, Baja California, Mexico. October 2006.
MEDIUM ACCESS CONTROL PROTOCOL (MAC) BASED ON TDMA TO PROVIDE QUALITY OF SERVICE AND ENERGY EFFICIENCY,
APPLICABLE TO WIRELESS SENSOR NETWORKS.
A wireless sensor network (WSN) is a self-configurable wireless local-area network (WLAN) through whiclr terminals, equipped with some type ofsensor, transmit the measured parameters to a predetermined sct of information receptacles, known as sinks. The main differences
between a traditional WLAN and a WSN are that, in general, the latter needs to be very energy-cfíicient since its nodes are powered with nonreclrargeable batteries, and its topology varies because individual nodes can be turned offto save energy or as their batteries die. The medium access control mechanisms presented here aims at saving energy and, at the same time, at providing quality of service (QoS) guarantees. Our proposal is based on TDMA ('l`ime-Division Multiple Access), since only methods based on reservation, not on conterrtion, are capable of providing guaranteed timely delivery of packets.
The medium access corrtrol protocol that we taekle in this work consists of a conjíguratimz phase prior to the riwrxrrrissioli of the information gathered by the sensors. The conƒignmtioir
phasc, in turn, includes a period of discovery and reservation of a route, between each sensing nodo and the sink, that satislies the QoS criteria; next, there is a process to calculate and allocate activity windows to the different clusters ofnodcs that communicate directly (one hop apart); lastly, there is a stage in which the different clusters are notified of their respective activity wiirdows, which must be strictly obeyed. ln the tra/isinissíon stage, on the other hand, those nodes corresponding to a given cluster coordinate to wake up simultaneously, within their respective activity window, to transmit information and move it one hop closer to the srnk.
In this thesis work we solve the problem of the allocation of activity windows to the dift`erent clusters based on information of the routing map specified during the reservation stage, of interference among clusters, and of QoS requirements.
A mi hermana, Erica, por ser el mejor ejemplo de fortaleza, carácter y bondad que pude haber tenido_
A mis padres, por darme la vida y darme sus vidas en el intento de formarme. Por ensei`iarnie con el ejemplo que el camino de la honestidad y trabajo constante es el único que lleva al hombre a una superación continua.
A mi asesor, José Rosario Gallardo, por su paciencia y ensenanza.
A Abigail, Magaly, Ely, por brindarme su amistad y compartir las experiencias del camino que no termina en la realización de esta tesis.
A Adolfo, Erica, Carlos Rocha, Leonardo Yepez, Magaly, José Edgar, Reynaldo, Russel, por compartirnie su conocimiento y amistad que contribuyó a la realización de esta tesis.
A mis compañeros y amigos: Pablo U. Gonz. Marcial, Rubén, Fabian, Reynaldo, Russel, Cuadras, Rocha, Carlos, Ara, José Edgar, Victor, Leo, por que son el mejor equipo de trabajo que pude haber tenido. Gracias!
Al comite de tesis por su apoyo y asesoria.
Índice General. Índice de Figuras. Índice de Tablas,
1. 1NTRoDUcc1ON.
1.1. Antecedentes. l.2. Justificación.
L3 Planteamiento del problema. 1.4. Objetivos,
I.4.1. Objetivo General. 1.4.2. Objetivo Particular. L5. Delimitaciones y Alcances.
Il. Redes de sensores inalámbricos (WSN)
i viii x l l 15 17 18 18 18 19
11.1. Introducción
II.2. Aplicaciones para WSN.
II.2.1. Aplicaciones militares,
112.2. Aplicaciones en medio ambiente. lI.2.3. Aplicaciones en salud,
II.2.4. Aplicaciones en hogar.
ll.2.5. Otras aplicaciones comerciales. II.3. Factores importantes de diseño de WSN.
II.3.1. Confiabilidad.
Il,3.2. Escalabilidad.
113.3. Costos de producción. lI.3.4. Restricciones de hardware. II.3,5. Topologias en redes de sensores. II.3.6. Medios de transmisión.
II.3.7. Consumo de potencia. II,3.8. Procesamiento de datos. lI.3.9. Simuladores de redes. IL4. Conclusiones,
III.2, Aspectos de diseno.
lll.2.l, Dinámica de la red.
III.2.2. Despliegue de nodos.
lll,2.3. Consideraciones en energia. lll.2.4. Modelos de entrega de datos. III.2.5. Capacidades de los nodos. III.2.6. Unión de datos.
IlI.3. Protocolos centralizados en información.
III.3.l. Sensor Protocols for Information via Negotiation: (SPIN) lll.3,2. Difusión directa.
Ill.3.3. Enrutamiento enfocado a ahorro de energia. lll.3.5. Enrutamiento por "rumores".
III.3.4. Enrutamiento basado en gradiente. III.4. Protocoiosjerárquicos.
III.4, l. “Low energy Adaptive Clustering Hierarchy” (LEACH). lll.4.2. “Power Effieient GAthering in Sensor Information Systems (PEGASIS) y PEGASIS Jerárquico.
III.4.3. “Energy aware routing for cluster based sensor networks III.5. Protocolos basados en posición.
IlI.5.l. Minimum Energy Communication Network (MECN). Ill.5.2. Geographic Adaptive Fidclity (GAP).
III.6. Protocolo que cuida calidad de servicio (QoS). 111.6. l. Energy aware QoS routing protocol.
III.6.2. A Stateless Protocol for Real-Time Communication in Sensor
Networks “SPEED”
111,7. Conclusiones.
IV. Protocolos MAC para redes de sensores. IV. l. Introduccion.
IV.2. Protocolos MAC Centralizados.
ÍV.2.1 _ A Biz-Map-Assisted Energy-Ef/icient MAC Schemefor
Wireless Sensor Networks
lV.3. Protocolos MAC distribuidos, IV.4. Protocolos MAC liibridos.
IV. 4.1 Multi Hop - Time Reservatiaii using Adaptive Coflt/'olfor Energy Efficiency (MH-TRACE)
IV,5, Conclusiones
V. Sincronización en WSN. Vil. Introducción.
\/.2. Retardos de reloj en comunicaciones.
V.3.1. Eficiencizi en energia, V.3.2. Di/irlmicn de la real.
V.4. Casos particulares en sincronización.
V. 4.1. Siucronizflcián maestro ~ esclavo contra sincraiiizacíán Punro u Pu/110
V,4.2. Cori'ecci0'n de reloj contra relojes libres.
l/,4.3, Siiicronizaciáii inle/'na con/ra si/icronizzzción externa. V.4.4. Sineronizaciázi probabilística contra aleterminlstica. V.4.5. Sincronización fuenle - destino contra destino ~ destino
V.5. Si/1crD¡1izt|cíó¡1 en TDMA
VI. Conclusiones.
VI. Mecanismo de calendarización propuesto
Vl.l VI.2. VI.3 VI.4. VI.5 VI.6. Vl.7 VI.8 Introducción. Trabajo Conjunto . Calendarización, Sobre-calcndarización. . Rotación de roles en la red,
OPNet y Visual C++ como herramientas de simulación, . Sincronización.
VII. Análisis de complejidad. VII. l. Introducción,
VII.2. Ordena clusters por profundidad. VIL3. Calendarizador.
Vll.4. Sobrecalendarización V1I.5. Conclusiones.
VIH. Resultados y análisis de resultados. VlIl.l. Introducción.
VlIl.2, Priiner configuración propuesta (8 clusters, 2 rutas, 6 y 4 profundidades)
VllI,3, Segunda configuración propuesta (42 clusters, 12 rutas, 5 y 6 profundidades)
VIII.4. Tercer configuración propuesta ( 42 clusters, 9 rutas, 4 y 6 profundidades)
VlII.5. Comparación con MH-TRACE.
VlII.6. Efecto de la topología en la complejidad del algoritmo de
calendarización.
Vlll,7. Analisis de resultados.
IX.1. Introducción.
IX,2. Aspectos importantes de la propuesta. lX.3. Observaciones,
IX.4. Aportaciones. lX.5. Trabajo futuro. Bibliografia
Apéndices
A. Demostración de complejidad línea #19 de algoritmo simplificado de calendarización.
B. Calculo de complejidad de la función Int_Interf_Slot_Slot( ) empleada en el algoritmo simplificado de sobrecalendarización,
Índice de Figuras
Unidades que conforman un nodo sensor. 33 Problema de implosión. 48 Problema de traslapc. 48
Protocolo SPIN. 49
l3 Áreas de cobertura de red.
14 Intercambio de mensajes para sincronización l5 Primer configuración propuesta de una WSN. 16 lnterferentes de primer configuración propuesta.
17 Sobrccalendarización de primer configuración propuesta. 18 Segunda configuración propuesta.
19 Lnterferentes de segunda configuración propuesta. 20 Tercer configuracion propuesta.
21 Interferentes de tercer configuración propuesta, 22 Tasas minimas para el funcionamiento de la red.
Índice de tablas
Bandas Industrial, Cientifica y Medica (ISM). Ejemplo de una matriz de calendarización. Matrices de calendarización e interlerentes.
Matriz de calendarización de la segunda propuesta. Matriz de calendarización de la tercer propuesta.
Introducción
I.1. Antecedentes:
vehicular, luminosidad, presión, niveles de ruido, etc. [Estrin, 1999]. El desarrollo de tales sensores y la reduccion de sus costos han conducido a la instalación de grandes sistemas de sensores dispersos que cubren areas amplias [Bl1arath, 2005]. Se espera que una red de sensores inalámbricos tenga un impacto significativo en la eficiencia de algunas aplicaciones militares y civiles, como el reconocimiento del campo de combate, seguridad y manejo de desastres [Akyldiz, 2002], por mencionar sólo algunas.
El ciclo activo de un nodo en una red de sensores es muy pequeño, posiblemente tan pequeño como 1% y los usuarios finales se centran en la información ya recopilada de todos ellos, por lo que el flujo de datos es normalmente unidireccional, de los nodos hacia un centro común de procesamiento. Es en parte por esto que muchas arquitecturas existentes para redes inalambricas no son aplicables para redes de sensores y son necesarias nuevas mediciones de desempeño, como tiempo de vida del sistema, y deben ser consideradas caracteristicas de caudal eficaz y retardos [Moharrunad, 2004].
este tipo de redes. Tales investigaciones pueden clasificarse en dos categorías generales que tratan las causas principales del consumo de energía: procesamiento de señales y radio comunicación [Mohamed 2006],
Existe un gran interés tecnológico y económico en el desarrollo de soluciones para redes de sensores, Estas soluciones se enfocan a usar de la mejor manera posible los recursos de la red. Estas soluciones consisten en protocolos de comunicaciones que permitan un acceso al medio de transmisión ordenadamente, asi como el descubrimiento del vecindario y la asignación inteligente de rutas debido a la naturaleza multisaltos inherente de este tipo de redes.
Cuando la tecnologia de redes de sensores evoluciona hacia tasas de transmisión más altas, da cabida a considerar el sensado y transmisión de información en tiempo real, como audio y video. Estas aplicaciones necesitan que el sistema sea capaz de ofrecer garantias de calidad de servicio.
Las redes de sensores son una realidad, pero aim existe la necesidad de diseñar protocolos ue me`oren el desem eño de estas redes o timizando el uso de los recursos ue se tienen.P
El enrutamiento debe ser una combinación de descubrimiento de posibles rutas entre cada nodo y la información presente en el sumidero, para identificar y reservar las rutas que son capaces de satisfacer los requerimientos de QoS.
En redes de sensores se tiene una dependencia dc ancho de banda entre las rutas, lo que significa que un nodo afectará y será afectado por las transmisiones de sus nodos vecinos, aún si se encuentran a más de un salto de distancia. Esta situación aplica aunque los vecinos no pertenezcan a urra misma ruta.
0 El ahorro de energia con nivcles de QoS son tareas que se pueden lograr al unir mecanismos de acceso al medio y enrutamiento.
El trabajo conjunto propone un protocolo multicapas para el descubrimiento de topología, selección y reservación de rutas y control de acceso al medio para una red de sensores inalámbricos. El trabajo conjunto consiste en una fase de configuración, en la que no se intercambian mensajes de datos, solo de control, y una fase de operación, en la que los nodos generan y transmiten datos al sumidero siguiendo rutas específicas establecidas durante la fase de configuración. Estas dos fases se alternan periódicamente. El enfoque principal está en proporcionar QoS y eficiencia de energía. El protocolo de enrutamiento junto con el de acceso al medio colaboran para lograr el objetivo común.
Esta propuesta asume que el sistema incluye uno o mas nodos con capacidades especiales en cuestión de baterias, memoria y capacidad de procesamiento, quienes serian los responsables de recibir, procesar y almacenar información que recopilan de los nodos sensores. Asimismo se cuenta con transmisores de mayor capacidad para liberar de reenvios de información a algunos de los nodos más débiles. A estos nodos especiales se les llama “Sinks” o “Resuinideros” que estarán activos alternamente.
sink. Esto se logra mediante el ya bien conocido protocolo OLSR [OLSR, 2003], que se basa en la transmisión de mensajes “HELLO” para descubrir vecinos a uno y dos saltos y la transmisión de mensajes de control de topología “TC” para descubrir la topología del sistema y calcular rutas. OLSR es un mecanismo pro-activo que trabaja en fonna distribuida para establecer las conexiones entre los nodos en una red inalámbrica ad-hoc. El protocolo OLSR utiliza información de estado de los enlaces la cual se obtiene mediante la transmisión periódica de mensajes HELLO. Los mensajes HELLO permiten a cada nodo descubrir el conjunto de nodos vecinos a l-salto y el conjunto de vecinos a 2-saltos. Utilizando la información proporcionada por los mensajes HELLO, cada nodo selecciona un subconjunto de vecinos a 1-salto que se denominan nodos M`PR (Multi-Point Relay). Los nodos seleccionados como MPR se encargan de distribuir información de control de topología mediante la transmisión periódica de mensajes TC (Topology Control). Con la información contenida en los mensajes TC los nodos inalámbricos en la red ad-hoc pueden crear y mantener actualizadas sus tabla de enrutamiento. El protocolo MAC empleado en esta etapa es DCF, como se describe en el estándar IEEE 802.11.
La siguiente etapa dentro del trabajo conjunto es identificar los clusters vecinos interferentes. En cuanto un nodo consigue reservar ancho de banda, este forma parte de un cluster y empieza la difusión del identificador de su cluster en los mensajes HELLO del mecanismo de cruutamicnto. De esta manera todos los nodos identificarán a los clusters vecinos que interfieren con al menos un miembro de dicho cluster.
Los cabezas de cluster guardan una lista de clusters vecinos interferentes y la incluyen en los mensajes de control de topología TC que envían periódicamente. Esta información llega hasta el sirtk el cual la guarda para usarla durante la asignación de ventanas de actividad para cada cluster.
Una vez que el sink tiene la información de clusters interferentes de la red, se inicia la asignación dc ventanas de actividad para los clusters.
(Global Positioning System) o UTC (Universal Time) Reference Broadcast Synclrronization (RBS) con 0 sin Clock correction [Bliaratlr, 2005] entre otras.
La sincronización es muy importante en los mecanismos de acceso basados en TDMA, como el del presente trabajo, para evitar que se traslapen ventanas de actividad debido a variaciones de reloj. Es per esto que cada cabeza de cluster debe intercambiar mensajes de sincronización para estimar la variación y sincronizar sus relojes usando el metodo descrito en [Blrarath, 2005] en la sección 2,4.3.
Aquellos nodos que son seleccionados como cabeza de cluster forman parte de dos clusters, uno en el que ellos son cabeza de cluster y otro para el que son un nodo mas del cluster.
Dado que los nodos que funcionan como cabeza de cluster requieren reenviar mayor numero de información, se necesita rotar el rol de cabeza de cluster con los demas MPR.
Energía consumida en el scusado:
La energía consumida en el sensado incluye: l.- muestreo fisico y conversión a señal electrica, 2.- acondicionamiento de la señal y 3.- conversión analógica a digital. Esto varía conforme la naturaleza del hardware y sus aplicaciones. La mayor parte de la energía del sensor la consumen las unidades de procesado y de comunicaciones.
Energía consumida en el procesado de la información:
Consiste en dos partes: energia de computación y energía desperdiciada. La energía de computación es determinada por la fuente de voltaje y la capacitancia total eonmutada para ejecutar el programa del sensor. Los circuitos de capacitancia eonmutada son empleados para procesar señales de muy bajo nivel con baja relación señal a ruido, como la que se tienen al caracterizar algunos sensores empotrados en circuitos integrados, La energía desperdieiada se refiere a la energía consumida cuando no se esta procesando algo.
energía por procesamiento es mucho menor que el consumido por la unidad de comunicaciones [Mohammad 2004].
Energía consumida por la unidad de comunicaciones:
La unidad principalmente consiste en un circuito RF de corto alcance que realiza la transmisión y recepción de datos. Según Rappaport [Rappaport, 1996] la propagación de señales se rige por un exponente 2 o 4 a la distancia de transmisión dependiendo del medio.
Desde el punto de vista de disipación de energía, las cuatro mayores fuentes de desperdicio de energía son: '
n Retransmisión debido a colisión o congestión.- En WSN todos los nodos son capaces de transmitir en un canal de rnultidifusión. Dado que son dispositivos pequeños, los sensores tienen sólo una antena de tX; por lo que, si dos o mas fuentes transmiten al mismo tiempo, ocurre una colisión,
¢ Overhearing.- Sobreescucha. Cuando se comparte un mismo medio inalámbrico es comun que un nodo escuche paquetes que no van dirigidos a él, lo que causa un
desperdicio de energia.
I Overlread debido a mensajes de control.- Muchos protocolos MAC funcionan a través de mensajes de corrtrol, de sincronización, evasión de colisiones, etc. Si son demasiados esos mensajes, se desperdicia energía en ellos.
El protocolo de la subcapa de control de acceso al medio (MAC) del estándar IEEE 80215.4 para redes dc sensores [IEEE, 2003] es una evolución del protocolo de la misma subcapa del estándar IEEE 802.11 para redes locales inalámbricas [lEEE,l999], Ambos estan basados en el método de acceso CSMA/CA, que incluye el sensado de portadora y el uso de retracciones exponenciales binarias cuando el medio está ocupado. Lo novedoso en el estándar para redes de sensores es el hecho de que se prevé la posibilidad de que haya períodos ociosos y que el periodo de retracción sea corto cuando la carga de tráfico sea baja, ambos aspectos con el fin de ahorrar energía.
[Younis, 2002], que argumerrtan que los métodos basados en reservación son los únicos capaces de proporcionar garantías de entrega de paquetes corr límite de tiempo.
Mientras que las redes tradicionales tratan de lograr cada vez mejores niveles de calidad de servicio (QOS), los protocolos de redes de sensores se han centrado sobre todo en la conservación de energía [Akyldiz, 2002], con el fin de ampliar el tiempo de vida de los sensores, sin embargo el tiempo de vida de la red depende tanto de satisfacer las necesidades de calidad de la aplicación y de contar con la energía necesaria para su operación.
El concepto de “tiempo de vida” puede ser muy variante para diferentes escenarios, sin embargo, se puede tornar como el tiempo cuando el primer nodo agote su fuente de energía o bien desde el punto de vista de la aplicación, cuando el sistema ya no pueda proveer resultados aceptables [Moharnmad, 2004].
La calidad de servicio en redes de sensores inalambricos puede ser evaluada de la siguiente manera [Mohammad, 2004]
Precisión / Exactitud: Esto refleja el valor básico de la información recopilada, Donde precisión se rcfrere a lecturas idénticas tomadas a diferentes tiempos de un factor fisico constante en ese intervalo de tiempo, y exactitud referido a que esa lectura este lo mas cerca posible al valor real sin error.
Latencia: En muchos casos la información recolectada del monitoreo para el que fue diseñado el sensor es sensible al tiempo, por lo que debe ser entregado de una
manera oportuna.
Seguridad: Dado que muchas WSNs son usadas para servicios militares o propósitos de vigilancia, la negación de servicio afectan a estas redes en su operación. Por consiguiente la provacidad de los datos y las comunicaciones seguras son de mucha importancia.
Tolerancia a errores: A pesar de que los canales de comunicaciones inalámbricos es normalmente ruidosos, propensos a errores y variantes en el tiempo, los datos deben de ser entregados confiablemente, En tales casos la verificación y corrección de datos en cada capa de la red sorr críticas para ofrecer resultados precisos, Sin embargo algunos nodos pueden fallar debido a carencia de energia u obstáculos fisicos, por lo que se espera que los nodos realicen procedimientos de autoanálisis, autocalibración, autoreparación y autoreeuperación.
Sin embargo es imposible lograr todos estos requerimientos, ya que unos de ellos generan conflictos con otros.
El termino calidad de servicio (QOS) es usado en exceso con varios significados y perspectivas. Si se puede garantizar una tasa de transmisión suficientemente grande, se puede garantizar por ende cierto retardo de la información y si además se cuenta con una cota superior para el número de descarte de paquetes, la tasa de transmisión garantizada se puede considerar una buena métrica de QOS, siempre y cuando se base en mecanismos efectivos de control de admisión de conexión (CAC).
I.2.Justifícac1on
protocolo de acceso al medio eficiente en energia para implementarse en plataformas de redes de sensores inalámbricos.
La creciente necesidad de monitoreo amplia las aplicaciones potenciales para rcdes de sensores inalámbricos. Estos nuevos horizontes exigen a las redes manipular datos en tiempo real, obligándolas a incrementar su capacidad de calidad de servicio (QOS) y eficiencia de energia con el tin de lograr un tiempo de vida factible para la inversión en dichas aplicaciones.
La necesidad de propuestas alternativas surge del hecho de que el estándar IEEE 802.15.11 no está pensado para funcionar en ambientes de tiempo real en los que hay límites para el retardo que puede experimentar la infomiación para llegar al nodo en que debe ser procesada
evaluar tales aseveraciones y medir el peso que se lc tiene que dar a los diferentes factores de diseno.
Una red de sensores inalz'1mbricos que funcione bajo protocolos eficientes en energía y calidad de servicio conlleva a mayor tiempo de vida útil, aminoración de costos de implementación y mejor desempeño de la red, Nuevas aplicaciones en adquisición de datos, transmisión de audio o video, pueden implementarse sobre plataformas de redes de sensores si éstos soportan los niveles requeridos de calidad de servicio y tiempo de vida, suficiente parajustificar la inversión.
1.3. Planteamiento del problema:
1.4. Objetivos: 1.4.1 Objetivo general.
Diseñar un mecanismo de calendarización basado en TDMA aplicable a comunicaciones intcr›cluster de una red de sensores, que forme pane dcl control de acceso al medio (MAC) y evaluar su desempeño en cuanto a su capacidad de proporcionar garantias de entrega de paquete dentro de intervalos de tiempo predeterminados; con la finalidad de que puedan ser usados en ambientes de tiempo real, además de ser eficientes en el consumo de energia.
1.4.2 Objetivos partzcu/(tres.
0 Determinar ventanas de actividad para topologias clusterizadas de redes de sensores. 0 Minimizar interferencias inter-clusters.
0 Reducir retardos de transmisión
1.5. Delimitacioues y Alcances:
DeIir11ítuciu¡1es.'
Este trabajo forma parte de un proyecto conjunto en redes de sensores inalámbricos, que abarcarán el descubrimiento de una topología clustcrizada con selección de rutas basadas en QoS, y acceso al medio tanto intra como inter-clusters, combinado con cambios periódicos de topología. Estos dos últimos aspectos son los que se abordarán en el presente trabajo.
Se propondrá un mecanismo de acceso al incdio para comunicación inter-clusters basado en TDMA, determinando la ventana de actividad mediante el cálculo de la capacidad necesaria en cada cluster, con reducción tanto de interferencia entre los clusters como de retardo extremo a extremo,
Se incluirá una programación periódica de cambio en la topología, esto con cl fin de homogenizar el consumo de energía producido por los roles que realizarán los sensores en cada cluster.
A Im/:ces:
El mecanismo propuesto quedara validado sólo por las simulaciones y comparaciones con otros mecanisinos similares, no será implementado en alguna plataforma dado que actualmente no se ciienta con ella.
cAPíTu|.o ii
Redes de Sensores Inalámbricos (WSN).
II.1. Introducción.
que las redes de sensores podrían llegar a ser parte integral de la vida cotidiana del hombre, más de lo que hoy en día lo son las computadoras personales [Akyldiz, 2002].
La implementación de WSN en sus diferentes aplicaciones, requiere de técnicas ad-hoc para su organización. En una WSN densainente poblada, los nodos sensores estarían muy cerca unos de otros, de esta forma se puede aprovechar para realizar transmisiones de baja potencia que hagan llegar la información al nodo destino a través de ir saltando por los nodos inteiniedios, lo qiie según se espera, consumiria menos potencia que la comunicación de un solo salto [Akyldiz, 2002]. Además de las ventajas en potencia, la coinunicación inultisaltos permite aminorar los efectos de propagación en transmisiones inalámbricas de largo alcance.
Una de las limitantes más importantes en WSN son los requerimientos de bajo consumo de potencia para los nodos sensores [Akyldiz, 2002, Mohammad, 2004, Jolly, 2005]. En redes cableadas la calidad de servicio (QoS) es uno de los parámetros mas cuidados, mientras que en WSN se tienen además restricciones de potencia [Akyldiz, 2002].
11.2. Aplicaciones para WSN:
monitorear una amplia variedad de condiciones ambientales que incluyen las siguientes [Estrin, 1999]:
I Temperatura.
0 Humedad.
I Movimiento vehicular, 0 Condiciones de iluminación. n Presión.
v Estado del suelo. ~ Niveles dc ruido.
0 La presencia o ausencia de cierto tipo de objetos o sustancias.
0 Tensión mecánica.
0 Características de velocidad, dirección o tamaño de un objeto.
11. 2.1 Aplicflciolms militares
Las WSN pueden ser una parte integral de la milicia en sistemas de estrategia, control, comunicaciones, cómputo, inteligencia, supervivencia, reconocimiento y puntería (C4ISRT por sus siglas en ingles "command, control, communications, computing, intelligence, surveillance, reconnaissancc and targeting”) [Akyldiz, 2002]. La capacidad de desplegar rápidamente los sensores, la auto-organización y tolerancia al error que tienen estos, hace que las WSN scan útiles para aplicaciones militares C4lSRT. Dado que las WSN son basadas en una población relativamente densa de nodos de bajo costo, el hecho de que cl enemigo destruya algunos de ellos no afecta a la operación militar, como seria el caso de un solo nodo destinado al monitoreo de dicha aplicación
Equipar a las fuerzas armadas con nodos de una WSN permite el constante monitoreo de las municiones y suministros de la misma, así como el estado de salud del soldado. Aplicar las WSN al campo de batalla, permite cubrir rutas, accesos y mayores áreas de combate con menor numero de soldados, facilitándole la planeación a los centros de comando y resguardando la vida del soldado. En puntería las WSN pueden ser formadas por las mismas municiones con sistemas inteligentes de guia, o bien la contraparte al reconocer heridos y daños materiales despues dc una batalla.
en cualquier área que sean desplegados, ya sea territorio enemigo para invadir o territorio propio para tomar precauciones con los civiles.
Por estas razones las WSN tienen caracteristicas que pueden ser ampliamente explotadas en aplicaciones militares [Akyldiz, 2002,3l].
II. 2.2. Aplicaciones en medio ambiente
Algunas aplicaciones en medio ambiente para WSN contemplan el rastreo de aves, animales pequeños, insectos o el monitoreo de condiciones ambientales que afectan las cosechas o el ganado; monitoreo a gran escala del planeta; detección de quimicos en agricultura, y las múltiples disciplinas que abarcan el medio ambiente como meteorología, geofisica, detección de inundaciones y mantos acuíferos, estudio de contaminación, etc.
11_2_3. Aplicaciones en la salut!
Algunas de las aplicaciones para la salud de WSN es facilitar interfaces para discapacitados, diagnóstico, administración de medicinas en los hospitales, monitoreo de movimiento y control de insectos y otros animales pequeños [Akyldiz, 2002],
Con redes de sensores se ueden monitorear dos clases de a licaciones, una son los atletasP P y su desempeño y otra son los enfermos en hospitales 0 en los hogares [Callaway, 2004].
Se puede monitorear mediante WSN datos fisiológicos de los pacientes por un periodo largo de tiempo, y puede ser usado para exploración médica. Estos sensores pequeños le permiten completa movilidad al paciente y al doctor le pemiite identificar sintomas predefinidos a tiempo para tomar las contramedidas necesarias [Akyldiz, 2002].
En el campo médico el suministro de medicamentos, mientras no se encuentre el paciente dentro del hospital, esta a cargo del mismo paciente. Si un nodo es asignado a un paciente y forma parte de una WSN encargada de suministrar las dosis necesarias en los horarios específicos, los tratamientos serian menos expuestos a enores y podrían ser controlados remotamente. No sólo en los horarios de medicamentos sino en reacciones alérgicas y constante monitoreo del efecto del medicamento permitiría mayores porcentajes de éxito en los tratamientos médicos, Algunos sistemas computarizados, como los que se describen en [Akyldiz, 2002], han mostrado que pueden ayudar a minimizar los efectos secundarios de los medicamentos.
11.24. /lplƒcnciones en el /¡agar
Confonne la tecnología avanza, pueden incluirse nodos inteligentes y actuadores en aplicaciones como aspiradoras, microondas, refrigeradores y video caseteras [Akyldiz, 2002]. Estos sensores dentro de electrodomésticos pueden interactuar unos con otros o con una red externa vía Internet o Satélite. Esto permitiría al usuario manipular sus electrodomésticos local o remotamente,
Otra aplicación de redes de sensores es una extensión de un acceso remoto sin llaves o “Remote Keyless Entry (RKE)”, qrre se puede encontrar en algunos vehículos, Con redes de sensores se podría controlar, seguros, puertas, ventanas, luces con un solo botón de un nodo que traiga consigo el propietario. Aplicado a el hogar, igual que la alarma de un vehiculo, el propietario puede asegurar ventanas y puertas de su casa, luces con un solo botón Si una puerta se dejo abierta la misma red reporta el motivo y lugar del error
[Callaway, 2004].
1.7.2.5. Ot/'us uplícz/cioliex comerciales.
Algunas otras aplicaciones comerciales podrían ser el monitoreo del desgaste de materiales, manejo de inventarios, monitoreo de calidad de producto, control ambiental en oficinas, control automatico de robots, juguetes interactivos, museos interactivos, monitoreo de áreas de desastres, estructuras inteligentes con sensores empotrados, control local de actuadorcs, detección y monitoreo de ladrones de carros, etc.
IL3. Factores importantes de diseño de WSN:
El diseño de una WSN puede ser afectada por varios factores que incluyen: confiabilidad, escalabilidad, costos de producción, entomo operativo, topología de red del sensor, limitaciones de hardware, medio de transmision y consumo de potencia. Estos factores son importantes por servir como guía de diseño para los protocolos o algoritmos bajo los que funcionan las WSN.
11.3.l. Confiabílírlnd.
Algunos sensores pueden fallar o dejar de funcionar debido a carencia de energia, daños fisicos o interferencia ambiental. El fallo en un número poco signiíicativo de nodos no debe de afectar en gran medida las tareas de la red en general. A esto se le llama confiabilidad o tolerancia al error. Confiabilidad es la capacidad de mantener las funcionalidades de una WSN sin interrupción a pesar del fallo en algún sensor [I-Ioblos, 2000]. La confiabilidad R,,(l) es modelada en [I-loblos, 2000] usando un proceso de Poisson para capturar la probabilidad de no tener una falla en un intervalo de tiempo ( 0 , t ):
Donde Ã, y 1 son la tasa de falla del sensor k y el período de tiempo, respectivamente.
Los protocolos y algoritmos deben ser diseñados para alcanzar la confiabilidad requerida por las WSN. Si el medio en el que los sensores son desplegados tiene pequeñas interferencias, los protocolos deben poder absorber el impacto de las mismas, siendo más flexibles a ellas [Akyldiz, 2002]. Por ejemplo, si un sensor es colocado en una casa para monitorear niveles de humedad y temperatura, los requerimientos de confiabilidad o tolerancia al error pueden ser bajos dado que este tipo de sensores no se dañan fácilmente o son interferidos por el ruido ambiental. Por otro lado, si los sensores son desplegados en un campo dc batalla, la confiabilidad o tolerancia de error debe ser alta dado que los datos sensados son críticos y los sensores pueden ser destruidos por acciones hostiles. Como resultado, tenemos que los niveles de confiabilidad requeridos dependen de la aplicación sobre la que este trabajando la WSN y los mecanismos diseñados para estas redes deben tener esto en cuenta.
113.2. Escalabilir/ati.
sensores en una región, que puede ser de menos de 10m de diámetro [Akyldiz, 2002]. La densidad puede ser calculada de acuerdo a [Bu1usu, 2001] mediante:
true) = (N;rR*)/A
( 2 )
Donde N es el número de sensores en la región A, y R el radio de transmisión. Básicamente, ;±(R) es el número de nodos dentro del radio de transmisión de cada nodo de la región /I. Visto de otra forma, es el porcentaje del área A que esta cubierta por la suma del radio de los nodos.
El número de nodos en una región puede ser usado para indicar la densidad de nodos. El número de nodos y que tan cerca unos de otros se necesitan, depende de la aplicación para la cual se despliegan los sensores,
11.3.3. Cortos (le producción.
dc $10 dll. [Akyldiz, 2002]. El precio de un Nodo Maestro esta por debajo de $1 dll. El costo de un nodo sensor podría ser mucho menor a $1 dll con el fin de que una WSN pueda ser factible económicamente. El costo de un nodo es variable dependiendo de los módulos que se necesiten en dicho nodo para darle las funcionalidades necesarias para la aplicación en que se utilizarán, lo q\1e hace un desafio producirlos con precios menores a $1 dll.
II. 3.4. Restricciones de l1urø1wm'e.
Un sensor para WSN contiene cuatro componentes básicos mostrados en la figura l extraída de [Akyldiz, 2002]: ww zmid/ul ¿le sensadu, una zmizlurl de procesamiento, una unidad de comznncacio/rex y una unizlurl (le potencia. Dependiendo de la aplicación, estos sensores pueden contar con sistemas de localización, generación adicional de energia, movilidad, GPS, etc, La unidad de sensado es compuesta normalmente por dos subunidades: sensores y convertidor analógico a digital (ADC). Las señales analógicas producidas por los sensores, basados en la observación del fenómeno a sensar, es convertida a señales digitales mediante el ADC, para posteriomente entregar esa información a la unidad de procesamiento. La unidad de procesamiento, que generalmente usa una unidad pequeña de almacenamiento, administra las tareas de cada una de las unidades por las que se confomta el sensor. La unidad de comunicaciones conecta el nodo a la red. Uno de los componentes mas importantes del sensor es la unidad de potencia
- simma a¢|°=¢|¡m|a›1 › Movilidad
..._i.._ _ ....¡,._›...._..r . . . . _ _.
umsa ¢= sama@ masa a= ›=~›===¢›.\¡=»†¢
`¬- Procezndar 4, >i _ _ Sennr' ADC j _ ^ ttemunlcacmnes
Memoria _
A I A ` L
r,,__ts___,†r__,r
....
Unidad de Potencia < cêencradnr ds potencia
Figura 1. Unidades que conforman un Nodo 0 Sensor.
Todas estas subunidadcs, para algunas aplicaciones necesitan caber dentro de espacios muy reducidos, menores a un centímetro cúbico y ser suficientemente livianos para suspenderse en cl aire. Además del tamaño y peso, algunas otras restricciones que pueden tener los nodos de una WSN son:
I Consumir poca potencia. I Operar en altas densidades. I Tener bajos costos de producción.
I Ser autónomos y operar sin atención extra. - Adaptarsc al medio ambiente.
energia total almacenada en un mote polvo inteligente o “smztrt dust" es del orden de l J [Akyldiz, 2002]. Para “ll/ireless Integrated Network "(WINS) [Akyldiz, 2002], la corriente promedio total del sistema debe ser menor a 30 ;zA para proporcionar suficiente tiempo de vida, Los nodos usarlos en WINS son alimentados con baterías tipicas de litio (Li) (2.5cm de diámetro y lcm de grosor). Se puede ahorrar energia empleando celdas solares [Akyldiz, 2002], sin embargo el material transductor solar no deja de ser un recurso finito.
La comunicación en un sensor puede ser óptica o por radio frecuencia (RF) [Akyldiz, 2002]. Las comunicaciones por RF requieren modulación, ñltrado, desmodulación, que implica mayor complejidad y costo del nodo. En una transmisión RF de estos sensores, las pérdidas por trayectoria entre dos sensores puede llegar a ser de orden cuarto, debido a que las antenas de los nodos están cerca del suelo [Akyldiz, 2002]. Sin embargo las comunicaciones en WSN son normalmente por RF debido a que los paquetes transmitidos son pequeños y las tasas de datos son bajas [Akyldiz, 2002],
operativo TinyOS que tiene 3500 bytes de código de sistema y deja libres 4500 bytes para código adicional.
H. 3,5. T0¡10l0gizIS en rezles de sensores.
En una WSN hay nodos que llegan a ser inaccesibles o que son propensos a fallas, lo que hace del mantenimiento de la topología una tarea dificil.
Los nodos en una WSN pueden ser pre-colocados en lugares especificos o esparcidos en forma aleatoria. Las formas mas comunes según [Akyldiz, 2002] de posicionarlos son:
~ Arrojarlos desde un avión,
0 Empotrados cn artillería 0 misiles. 0 Arroj ados por catapultas.
0 Colocados en el propio cuerpo humano.
Una vez colocados los nodos, la topología puede cambiar debido a:
0 Cambio de posición de los sensores
I Mal funcionamiento.
Asi mismo para compensar la pérdida de nodos o para ampliar el área de cobertura, una vez instalada una WSN se pueden desplegar mas nodos que trabajen en esa misma red, Los nuevos nodos y la red tendrán la capacidad de auto-reorganizarse.
II.3.6. Medios de t/'ansmisz`ón.
En una red inalámbrica, las comunicaciones se dan por medio de enlaces sin conexiones fisicas. Como ya sc mencionó, estos enlaces pueden estar formados por radio, infrarrojos o medios ópticos.
Tabla I. Bandas Industrial, Cientitica y Médica (ISM).
Bandas de frecuencia disponible
ara aplicaciones ISM
U
l
Banda
Frecuencia 1
Central
67656795 ÍIN
emo l kHz
13553-13567 ;IN
13560 l kHz
26,957-27,283
27120 l kHz
40,66-40,70
4o,sa l MH;
433,05-434,79
433,92 I MH;
902›928
915 I MH:
2400-2500
2450 I MH;
5725-5875
saco I MH;
24-24,25
24.125 I GH;
61-61,5
61,25 I GH;
122-123
122,5 I GH;
244246 iGHz
i
lkHzl
|MHz
|MHzl
Ilvu-iz
|Mt-tz
|MHz
l
|GHz
l
IGH1
l
lei-iz l
l
LJ
245 i GH:
11.3. 7. Consumo de potencia.
Un sensor inalambrico para WSN, siendo un dispositivo micro-electrónico, puede estar equipado sólo con una fuente limitada de energia (<0.5 Ah, 1.2 V). En una rcd multisaltos, cada nodo cumple un rol dual de generador de datos y eiuutador de datos.
Las tareas principales de un sensor es detectar un evento, procesar localmente la información producida por ese evento y transmitirla, Por lo tanto el consumo de energia puede ser dividido en tres panes: Se/isrzdo, procesamiento de datos y comunicación
La unidad de sensado y sus componentes varían con la naturaleza de las aplicaciones. Las mediciones esporádicas consumen menos energia que el constante monitoreo de un evento, La complejidad del evento a detectar juega un papel muy importante al momento de determinar el gasto de energía de sensado.
De las tres partes que consumen energia en un sensor, la que consume mayor energia es la etapa de comunicaciones [Akyldiz, 2002]. Esta etapa comprende tanto la transmisión como la recepción. La ctapa de comunicaciones contiene mczcladores, sintetizadores de frecuencia, osciladores controlados por voltaje, amarradores de fase (PLL) y amplificadores de potencia, todos ellos consumen bastante energia. Es importante considerar en esta etapa no sólo el gasto de energia por mantener activa la comunicación sino también consumos por inicialización de comunicaciones. El tiempo de inicialización permanece del orden de cientos de microsegundos, lo que hace no despreciable a la energia consumida en ello [Akyldiz, 2002].
11. 3.8. Procesmmelilo de da/os.
Un nodo sensor debe tener capacidad de cómputo incorporado y ser capaz de trabajar en conjunto con su vecindario. Las limitaciones en costo y tamaño hacen necesario el uso de semiconductores complementarios de metal-oxido (CMOS). Desafortunadamente esto tiene limitaciones de eficiencia en energía. Un transistor CMOS consume energía cada vez que conmuta. Cuando los microprocesadores manejan carga computacional variante en el tiempo, el simple hccho de reducir la frecuencia de operación durante el período de baja actividad resulta en un decremento lineal en el consumo de energía. Se puede obtener un ahorro significativo de energia si se reconoce que no es necesario que sea constante el mejor desempeño del nodo, y asi el voltaje de operación del procesador pudiera ser adaptado dinámicamente a los requerimientos instantáneos de procesamiento.
II.3.9. Simuluz/ares de redes.
Ns: Mas conocido como ns-2 por su versión actual, es un simulador de redes de eventos discretos. Utilizado principalmente en ambientes académicos debido a que está abierto en código abierto y la abundancia de documentación en linea. Se pueden simular tanto protocolos unicast como multicast y se utiliza intensamente en la investigación de redes móviles ad-hoc. Puede simular una amplia gama de protocolos tanto para redes cableadas o redes wireless asi como mixtas [Simulador NS, 2006],
en el simulador TOSSIM en una PC, Esto le permite al usuario depurar, probar y analizar los algoritmos cn un ambiente controlado y repetible [Levis, 2003].
11.4 Conclusiones.
cAPiru Lo ul
Protocolos de Enrutamiento para Redes de Sensores Inalámbricos.
IIL1. Introducción.
Se espera que las redes de sensores (WSN) tengan un impacto significativo cn la eficiencia de aplicaciones civiles y militares, como supervivencia, seguridad y manejo dc desastres. Estas redes procesan información recopilada de múltiples sensores que monitorean un área de interés.
principal objetivo cs encontrar la manera en que la asignación de rutas sea eficiente en energía y tenga una entrega confiable de los datos desde el sensor hasta el sumidero de
información [Kema|, 2003].
El encontrar rutas cn redes de sensores tiene complicaciones importantes que las diferencian de las redes adahoc y cableadas. Estas complicaciones se deben a factores como el no poder generar un esquema global de direcciones para sensores desplegados aleatoriamente, por lo que los protocolos basados en LP no pueden ser usados en redes de sensores. Otro factor en el diseño de WSN es que el flujo de información es noimalrnente de múltiples fuentes hacia un sumidero de información. Además, el tráfico generado puede tener redundancia significativa dado que varios sensores pueden generar datos similares debido a la proximidad con que estén sensando tin parámetro. Por último, los nodos están limitados en sus recursos tanto de energia como de procesamiento y memoria, por lo que se debe tener cuidado en el diseño de protocolos para WSN.
Debido a estas diferencias se han ideado algoritmos que buscan mitigar estas complicaciones en WSN. Estos mecanismos de enrutamiento deben considerar las características de los sensores junto con los requisitos de las aplicaciones. En su mayoria los protocolos de enrutamiento se pueden clasificar como centrados en la información, jerárquicos, o basados en localización. Hay otros basados en el flujo de la red o en el
Los protocolos de enrutamiento centrados en la información están basados en preguntar por los datos deseados, lo que ayuda a eliminar transmisiones redundantes. Los protocolos jerárquicos buscan aglomerar los nodos en grupos y subgrupos llamados “clusters” con un respectivo adrninistrador de grupo llamado “cabeza de cluster”, esto con el objetivo de alrorrar energia. Los protocolos basados en localización utilizan información de posición para retransmitir los datos sólo hacia las regiones en las que puede estar el nodo destino, en vez de a la red completa. La ultima categoria de protocolos son aquellos que están basados en el flujo en general de la red cuidando requerimientos de QoS para la asignación de rutas
en la WSN.
llI.2 Aspectos de diseño
Dependiendo de la aplicación de la red, sc tienen diferentes objetivos y limitantes. Las caracteristicas de la arquitectura de la red influyen en algunas limitantes de diseño, que se listan a continuación:
I1I.2.1. Dinámica de la rezl.
mensajes desde o hacia nodos móviles es más coinplicado que a un nodo fijo, debido a la necesidad de una ruta estable.
Los parámetros monitoreados pueden ser dinámicos o estáticos, dependiendo de la aplicación. El monitorear parametros estáticos permite a la red trabajar en un modo reactivo, generando tráfico sólo cuando se reporta un evento. Monitorear parámetros dinámicos requiere de actualizaciones periódicas de datos y en consecuencia genera tráfico significativo que tiene que ser conducido hasta el sumidero.
I1I,2.2. Despliegue de nozlos.
“clusters” en la distribución autoconfrgurada de nodos, es un punto clave para la eficiencia en energia del mecanismo de enrutamiento.
111.2. 3. Coliside/'aciolres en energía.
La ncccsidad de ahorro de energia se ve reflejada directamente en el proceso de descubrimiento de rutas en la auto-configuración de la red. Dado que la potencia de transmisión para un nodo inalámbrico es proporcional al cuadrado de la distancia [Rappaport, 1996] o inclusive de mayor orden debido a la presencia de obstáculos, el enrutamiento inultisaltos consume menos energía que una comunicación directa [I(emal,
2003, Akyrdiz, 2002].
1I[.2.4. Modelos de entrega de zlatos.
entrega de datos, especialmente cuando se pretende minimizar el consumo de energia y mejorar la estabilidad de las rutas [Kemal, 2003].
II1,2.5. Capi/cizlz/:les de los nodos.
En una red de sensores, se pueden asociar diferentes funcionalidades a los nodos. En algunos trabajos se consideran a todos los sensores con capacidades homogéneas [Kemal, 2003], tanto en energía como en procesamiento y almacenamiento. Sin embargo, el desgaste energético que tengan estos nodos, depende de la aplicación sobre la que corran estos nodos el desgaste ener'gético que tengan. Dependiendo de la aplicación, algunos nodos ptrcden fungir como repetidores, sólo sensores, o “cabezas de cluster”, siendo éstos los que consumen eventualmente mayor energia por tener mayores responsabilidades en la red. En algunas redes, los nodos “cabezas de cluster” son elegidos de entre los mismos nodos desplegados, en otras son nodos con menores restricciones de energia, procesamiento y memoria [Kemal, 2003]. En cualquiera de los casos, son los “cabezas de cluster” los que hacen llegar los datos al sumidero de irrformación.
IIl.2.6. Unión lle zlulaš.
información implica consumo de energia en procesar esas comparaciones, pero este
consumo cs cn gcncral menor que transmitirlas repetidamente [Kemal, 2003].
IIl.3. Protocolos centrados cu informacion.
En algunas aplicaciones de redes de sensores no es factible asignar una identificación a cada nodo y agruparlo en “clusters” predefinidos debido al gran número de nodos en la red y a que son desplegados de manera aleatoria.
En el enrutamiento centrado en información, el sumidero envía peticiones a ciertas regiones de la red y espera por los datos de los nodos solicitados. Dado que los datos necesitan ser requeridos por el sumidero, es necesario especificar las propiedades de esos datos. Uno de los protocolos de enrutamiento basados en información es “Sensor Protocols for Information via Negotiation” (SPIN) [Kemal, 2003]. Este protocolo considera la negociación de datos entre los nodos con el fin de eliminar los datos redundantes y ahorrar energia. Otro protocolo similar es “Directed Diffusion” [ Kemal, 2003]. Ambos protocolos emplean lo que se denomina “inundacio'n y divulgación”, que son dos mecanismos usuales para reenviar datos en una red de sensores sin la necesidad de ningún algoritmo de enrutamiento ni control de topología.
número de saltos permitidos. Por otro lado, la divulgación (gossiping) es un tipo de inundación donde cl nodo que recibe un paquete lo envia a un vecino aleatorio, quien a su vez elige a otro vecino aleatorio para reenviar el paquete y asi sucesivamente,
A pesar de que la “inundación” es muy sencilla de implementar, tiene defectos severos como se muestra en la figura 2 y 3 obtenida de [Kemal, 2003]. Se le denomina “implosion” cuando un mensaje duplicado llega al mismo nodo, y traslape cuando dos nodos scnsan la misma región y envían esa misma información dos veces, al mismo sumidero de información.
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Figura 2. Problema de implosíón. Figura 3. Problema de traslape.
III. 3.1. Se/¡sor P/'otocolxfo/' Info/'lnatioli via Negotiation: (SPIN)
sensores por medio de un mecanismo de anuncio de datos, que es la caracteristica dominante de SPIN. Cada nodo, una vez recibido un dato nucvo, anuncia a sus vecinos la llegada de ese dato y los vecinos interesados obtienen el dato mandando un mensaje de petición. La negociación que realiza SPTN por medio de los meta-datos resuelve los problemas clásicos de inundación logrando eficiencia en energia, El intercambio de mensajes entre los nodos se da como se muestra en la figura 4 extraída de [Kemal, 2003],
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Figura 4. Protocolo SPIN. Nodo A empieza avisando de un dato al nodo B (a). Nodo B responde enviando una solicitud al nodo A (b). Después de recibida la solicitud de datos (c), el nodo B envia
I1I.3.2. Difusión z/irectzl.
En difusión directa el objetivo es difundir los datos a través de los sensores usando un esquema de identificación de esos datos. La razón principal de usar este esquema es librarse dc operaciones irmecesarias en la capa de red ahorrando asi energía. La difusión directa sugiere el uso de atributos y sus respectivos intervalos de valores de interés para caracterizar los datos que se desean observar. Estos pares de atributos y valores definen intcreses para el momento de crear una requisición de datos. Esos intereses pueden estar definidos por nombres de objetos, intervalos, áreas geográficas etc, Estos intereses son enviados en difusión por el sumidero a través de sus vecinos. Cada nodo que recibe la lista de intereses la almacena para su uso posteriori Los intereses almacenados son usados para comparar los datos recibidos con los valores de interes. Cada interés se guarda junto con varios campos llamados gradientes. Un gradiente es un enlace al vecino del que se recibió el interés y por el cual se enviara la respuesta. Los gradientes se caracterizan por que contienen datos como tasas, tiempos de duración y expiración derivados del interés recibido. Por lo tanto, las rutas entre sumidero y nodos se da a través de la utilización de intereses y gradientes. Mediante este intercambio de datos se pueden generar varias rutas pero el sumidero selecciona algunas de ellas mediante el envio de mensajes de refuerzo
para que sean usadas mas frecuentemente.
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Figura S. Fases del protocolo de enrutamiento por difusión directa.
Las diferencias entre Difusión Directa y SPIN radican en los mecanismos de requisición de datos. En difusión directa, el sumidero solicita, mediante la inundación de intereses, datos a los nodos sólo si está disponible un dato en específico. En SPIN, son los sensores los que anuncian la disponibilidad de los datos permitiendo a los nodos interesados solicitarlos. Difusión directa tiene varias ventajas. Dado que cs centrado en los datos, todas las comunicaciones son vecino a vecino sin la necesidad de un mecanismo de asignación de direcciones de los nodos. La difusión directa es un protocolo con alta eficiencia en energia dado que está basado en demanda y no es necesario mantener una topología global de la
red.
[Il,3.3. Enrutamienlo enfocado a ahorro de eiiergífl.
Mohamed Kemal [Kemal, 2003] hace referencia al mecanismo “Energy Aware Routing for Low Energy Ad Hoc Sensor Networks", donde se propone usar ocasionalmente rutas sub-optimas con el propósito de incrementar el tiempo de vida de la red. Estas rutas son seleccionadas por medio de funciones de probabilidad, que dependen del consumo de energia en cada ruta. Sc dice que usar rutas con el mejor consumo de energia todo el tiempo, agotaría la energia de los nodos en esa trayectoria. Sin embargo, si se usa una de las trayectorias alternas con cierta probabilidad se puede incrementar el tiempo de vida de la red completa. El protocolo supone que cada nodo cuenta con una dirección que incluye la posición y tipo de nodo del que se trata. El protocolo consiste de tres etapas:
v Fase de transmisión de datos: Aqui cada nodo envia un paquete eligiendo aleatoriamente un nodo dentro de su tabla de enrutamiento según sus probabilidades.
- Fase de mantenimiento de ruta: Se generan inundaciones no frecuentes para mantener todas las rutas activas.
Comparando Difusión Directa con el protocolo enfocado a ahorro de energia, se tiene que en Difusión Directa los datos son enviados a través de varias rutas, una de ellas reforzada para enviar a mayorcs tasas. Por otro lado, el protocolo enfocado a ahorro de energia selecciona una sola ruta aleatoria de entre las alternativas con el fin de ahorrar energia, Cuando se compara con Difusión Directa se tiene una mejora del 21.5% en ahorro de energia que en consecuencia incrementa en 44% el tiempo de vida de la red [Kemal, 2003],
IÍÍ.3.4. Enrufamienlo por "¡^umores"
vuelven un desperdicio de energia. Una alternativa es generar inundaciones de eventos si el número de eventos es pequeño y el número de requisiciones es alto.
El enrutamiento por rumores se encuentra entre la inundación de eventos y de requerimientos. El objetivo es dirigir los requerimientos hacia los nodos que han observado un evento en particular cn vez de hacer una inundación a la red completa.
Para inundar en la red los eventos observados, el enrutamiento por rumores emplea paquetes de alto tiempo de vida, llamados agentes. Cuando un nodo detecta tin evento, éste agrega ese evento a su tabla local y genera un agente. El agente generado viaja a través de la red con el fin de propagar información acerca de los eventos locales la los nodos más alejados. Cuando un nodo genera una requisición de un evento, los nodos que conocen la ruta, pueden responder a la requisicio'_n gracias a que cuentan con una tabla de eventos, Por lo tanto, se evita el costo por inundación de la red completa, El enrutamiento por rumores sólo mantiene rutas entre la fuente y el destino, lo que Difusión Directa no hace pues envía los datos por múltiples trayectorias.
HI. 3.5, Erirtita/11ie111o basado en gradiente.
largo de la red, por lo que cada nodo puede saber el número mínimo de saltos para llegar al sumidero, a lo que se le llama altura del nodo. La diferencia entre la altura dc un nodo y la de su vecino es lo que se considera como gradiente del enlace entre ellos. Los paquetes son rcenviados por el enlace que tenga el mayor gradiente, lo que asegura que sc esta seleccionando la ruta más corta.
III.4. Protocolos jerárquicos.
Como en todas las redes de comunicaciones, la escalabilidad es uno de los atributos mayor buscados a la hora de diseñar redes de sensores. Una red de un solo nivel puede ocasionar que la puerta de enlace a otras redes se sobrecargue con el incremento en la densidad de sensores. Dicha sobrecarga puede ocasionar latencia en las comunicaciones y un sensado inadecuado de los eventos. Ademas, una arquitectura de un solo nivel no es escalable para configuraciones grandes de sensores, haciendo que el área de cobertura no sea tan grande como podria ser. Varios mecanismos de enrutamiento proponen una arquitectura basada en agrupamientos jerárquicos llamados “clusters” para permitir que las WSN funcionen con mayores cargas y cubrir áreas de interés más grandes o más densas sin degradar el servicio.
La formación de los agrupamientos o clusters se basa normalmente en las reservas de energía de los nodos y su proximidad al cabeza de cluster [Kemal, 2003].
III. 4.1. "Low ene/'gy Arløiptive Clusre/ing Hierarc/1y " (LEA CH).
“Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy" (LEACH) es uno de los algoritmos de enrutamiento jerárquico más populares [Kemal, 2003] para redes de sensores. El objetivo de este algoritmo es formar clusters de sensores basándose en la potencia de la señal recibida y el uso de cabezas de clusters locales como enrutadores hacia el sumidero de información. Esto ahorra energia dado que las transmisiones se dan sólo hacia el respectivo cabeza de cluster y no hacia todos los sensores. Se estima que un número óptimo de cabezas de cluster es de aproximadamente 5% del número total de nodos [Kemal, 2003].
LEACH logra un factor de reducción de 7% en disipación de energia comparado con la Difusión Directa y un factor de 4-8% comparado con el protocolo de enrutamiento enfocado al ahorro dc energia que se describieron anteriormente en el apaflado 3 de este
Capítulo [Kemal, 2003].
I11.4.2. "Power Efiïcient GAtl1eri/ig in Sensor Informzzlion Systems” (PEGASÃS) y PEGASIS Jerá/'quíca.
Según Kemal [Kemal, 2003] PEGASIS es una inejora del protocolo LEACH. En PEGASIS en vez de fonnar agrupamientos o clusters, se forman cadenas de transmisión, en donde cada nodo recibe y transmite información de un nodo vecino y sólo un nodo de esa cadena es elegido para transmitir hacia la estación base o sumidero, como se muestra
en la figura 6.
cO9cl ->c2€e5 GC4
Estación Base
Figura 6. Encadenamientu en PEGASÍS.
mejora el desempeño de LEACH entre un 100 y 300% para diferentes tamaños y topologias de red.
PEGASIS jerárquico es una extensión de PEGASIS [Kemal, 2003], cuyo objetivo es decrementar el retardo inducido a los paquetes durante la transmision hacia la estación base. Para reducir el retardo ocurrido en PEGASIS, se tienen transmisiones simultáneas de datos. Para evitar colisiones en dichas transmisiones simultaneas, se aplica CDMA o bien calendarización de las transmisiones generando tres niveles de jerarquías.
[IL 4.3. “Energy aware routingfor cluster based sensor networks"
En este mecanismo los sensores son agrupados en clusters. El algoritmo emplea a aquellos nodos que están menos limitados en energia como cabezas de cluster o puertas de enlace, y se supone que sc conoce la localización de los sensores. La comunicación dentro de los clusters se da por un mecanismo de acceso al medio basado en división de tiempo (TDMA) controlado por la puerta de enlace o el cabeza de cluster. Asi, el sumidero de información sólo se comunica con los cabezas de cluster.
centra en reenviar los paquetes que le llegan de y hacia sus nodos vecinos activos. Cuando el nodo está en el estado sensado-reenvío, rcenvia los paquetes que llegan sin dejar de muestrear el parametro fisico. En el caso del estado inactivo, el nodo no realiza ninguna tarea y apaga sii circuito de comunicaciones,
La figura 7 extraída de [Kemal, 2003] muestra un ejemplo de diferentes estados de sensores en una red tipica.
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0
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0
0 0 o
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P-mm il: mim
IOOGO.
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Cluster O °""“`°
Figura 7. Cluster típico en una red de sensores.
lll.5. Protocolos basados eii posicion.
Algunos de los protocolos para redes de sensores necesitan información sobre la posición de los nodos. En la mayoria de los casos, esa información es necesaria para calcular distancias entre dos nodos en particular, por lo que se puede calcular la energía consumida en ese enlace. La información de localización de los nodos puede ser útil en cuestión de eficiencia en energía para diseñar el mecanismo de enrutamiento, dado que no se tiene un esquema de direcciones como IP para redes de sensores y que estan desplegados espacialinente en iiiia región [Kemal, 2003]. A continuación, se muestran algunos mecanismos de enrutamiento basados en localización.
IIl.5.l. Miriinrum Energy Cumzmmication Network (MECN)
La idea principal eii MECN, es formar subredes, con las que se puedan manejar menor número de nodos y requiera menor potencia para transmitir entre cualesquiera dos nodos de ella,
El mccanisino cuenta con dos fases:
0 Primero toma las posiciones del plano bidimensional de los nodos y construye una gráfica del área.
I Después encuentra los enlaces óptimos del area graficada mediante el algoritmo de trayecto más corto Bellinann-Ford [Kemal, 2003] con métricas de costo de consumo de energía. La posición se actualiza mediante el uso de GPS en caso de movilidad.
MECN es un mecanisiuo autoconfigurable y por lo tanto, adaptativo a los errores de los nodos o despliegue de nuevos sensores.
III.5.2. Geographic Adaptive Fidelity (GAF)
apagado de nodos que sean iimecesarios en ciertos momentos de la red. Este mecanismo forina un trazado del área cubierta por los nodos, donde cada uno de ellos utiliza tin GPS para indicar su posición y asociarse a sí mismo con un punto en la traza virtual del area cubierta. Los nodos asociados con un mismo punto en esa traza virtual soii considerados equivalentes eri te'rminos de costo para reenviar un paqtiete. Esta equivalencia es explotada para mantener dormidos nodos sin afectar el esquema de enrutamiento. GAF puede incrementar el tiempo de vida de la red conforme se incrementan el número de nodos.
GAF tiene definidos tres estados de operación qtie son: descirbrimiento, activo y dormido. Con cstcs estados, GAF logra balancear la carga cambiando de rol entre diferentes nodos en la red.
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Figura 8. Ejemplo de una rejilla virtual en GAF.
llI.6. Protocolos que cuidan calidad de servicio (QoS).
Algunos mecanismos de enrtltamieiito en redes de sensores no sólo se rigen por la eficiencia energética sino también por el retraso de punto a punto como métrica de calidad de servicio (QoS). Algunos de esos mecanismos se muestran a continuación.
III. 6.1. Energy aware QoS routing protocol.
