Comparación de protocolos mac multicanal para redes inalámbricas de sensores: EM MAC Y TSCH

Texto completo

(1)PORTADA. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA COMPARACIÓN DE PROTOCOLOS MAC MULTICANAL PARA REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES: EM-MAC Y TSCH. Autor: Ernesto Prieto López Tutor: MSc. Carlos Manuel García Algora. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA COMPARACIÓN DE PROTOCOLOS MAC MULTICANAL PARA REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES: EM-MAC Y TSCH. Autor: Ernesto Prieto López [email protected]. Tutor: MSc. Carlos Manuel García Algora Prof. Dpto. de Electrónica y Telecomunicaciones Facultad de Ingeniería Eléctrica. UCLV [email protected]. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicado sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “May the force be with you”. Yoda..

(5) ii. DEDICATORIA. A mi mamá por ser mi mayor tesoro, mi guía y mi inspiración. A mi abuela que, aunque ya no está, sigue siendo mi luz en los días más oscuros..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi mamá por todo. Al caguairán por su apoyo incondicional bajo lluvia, sol y sereno. A la chichita por su amor, por su comprensión y por su compañía en las largas noches de estudio. A mi papá por su cariño. A mi tutor Algora sin el que hubiera sido imposible realizar este trabajo. Al Luiso, al Ovi y al Migue por aguantarme. A mis compañeros de aula con quienes compartí los buenos y los malos momentos. A todos aquellos profesores que han sido ejemplo de educadores durante estos 5 años..

(7) iv. RESUMEN Con la aparición en los últimos tiempos de soporte de hardware para el trabajo a múltiples frecuencias, los protocolos MAC para WSN han experimentado una evolución hacia la operación multicanal, como vía para aumentar la razón de transferencia exitosa y disminuir los efectos de la interferencia y el jamming. Dos protocolos MAC multicanal de estado del arte son EM-MAC y TSCH. A pesar de que ambos usan múltiples frecuencias de radio, difieren en la manera en que abordan aspectos fundamentales como la organización de la comunicación multicanal y la asignación de frecuencias. En este trabajo se realiza una comparación entre dichos protocolos. Para el logro de este objetivo se usan implementaciones de EM-MAC y TSCH en el sistema operativo ContikiOS, las cuales se corren en el simulador COOJA sobre el nodo sensor Z1. La comparación se basa en tres escenarios de simulación que permiten evaluar el desempeño de ambos protocolos bajo diferentes condiciones de carga de tráfico, densidad de nodos e interferencia externa. Los resultados de la simulación de estos escenarios demuestran que TSCH presenta un excelente rendimiento ante condiciones de alta carga de tráfico e interferencia externa aguda, degradándose su comportamiento solo en redes de alta densidad. Por su parte EM-MAC es ideal para su uso en WSN muy densas que necesiten cursar bajas cargas de tráfico y su desempeño se ve seriamente afectado en situaciones donde los nodos se someten a una interferencia aguda, ya sea interna o externa..

(8) v. TABLA DE CONTENIDOS. PORTADA ..................................................................................................................................... i PENSAMIENTO............................................................................................................................ i DEDICATORIA ........................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................... iii RESUMEN................................................................................................................................... iv ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................................... viii ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................ ix LISTA DE ABREVIATURAS .................................................................................................... xi INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 1 Organización del informe .......................................................................................................... 4 CAPÍTULO 1. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN ........... 5 1.1. Generalidades de las WSN ............................................................................................ 5. 1.2. Características de la capa MAC en las WSN ................................................................ 9. 1.3. Comunicación MAC multicanal en las WSN.............................................................. 11. 1.3.1. Desafíos de la operación multicanal .................................................................... 12. 1.3.2. Formas de operación multicanal.......................................................................... 14. 1.4. Protocolos MAC multicanal TSCH y EM-MAC ........................................................ 18. 1.4.1. Protocolo TSCH .................................................................................................. 18. 1.4.2. Algoritmos para la construcción del esquema TDMA en TSCH ........................ 20. 1.4.3. Protocolo EM-MAC ............................................................................................ 22. 1.5. Conclusiones parciales del capítulo ............................................................................ 26. CAPÍTULO 2. IMPLEMENTACIÓN DE LOS PROTOCOLOS EM-MAC Y TSCH EN CONTIKIOS ................................................................................................... 27.

(9) vi. 2.1. Selección de tecnologías ............................................................................................. 27. 2.1.1. Sistema Operativo ContikiOS y simulador COOJA ........................................... 27. 2.1.2. Plataforma Z1 ...................................................................................................... 32. 2.2. Implementación de protocolos MAC en ContikiOS ................................................... 33. 2.2.1. Estructura de los drivers mac y rdc ..................................................................... 34. 2.2.2. Formación de la trama de datos........................................................................... 36. 2.2.3. Protothreads ......................................................................................................... 38. 2.2.4. Implementación del protocolo EM-MAC ........................................................... 41. 2.2.5. Implementación del protocolo TSCH.................................................................. 42. 2.3. Escenarios de simulación ............................................................................................ 44. 2.3.1. Escenario 1: Carga de tráfico .............................................................................. 46. 2.3.2. Escenario 2: Densidad de nodos.......................................................................... 47. 2.3.3. Escenario 3: Interferencia externa ....................................................................... 48. 2.4. Conclusiones parciales del capítulo ............................................................................ 50. CAPÍTULO 3. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS ............................................................. 51 3.1. Escenario 1: Carga de tráfico ...................................................................................... 51. 3.2. Escenario 2: Densidad de nodos.................................................................................. 58. 3.3. Escenario 3: Interferencia externa ............................................................................... 64. 3.4. Conclusiones parciales del capítulo ............................................................................ 69. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 71 RECOMENDACIONES ............................................................................................................. 73 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................ 74 ANEXO A. CÓDIGOS DE IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOCOLO EM-MAC ................. 80 ANEXO A.1. Fichero emmac.c .............................................................................................. 80 Anexo A.2 Fichero frame_EM-MAC.c................................................................................... 96 Anexo A.3 Fichero framer-EM-MAC.c ................................................................................ 100.

(10) vii. Anexo A.4 Fichero LCG.c .................................................................................................... 103 Anexo A.5 Fichero Neighbors_list.c ..................................................................................... 104 Anexo A.6 Fichero csma.c .................................................................................................... 105 ANEXO B. CÓDIGOS DE IMPLEMENTACIÓN DE LAS APLICACIONES USADAS PARA EL ANÁLISIS DE DESEMPEÑO ........................................................................................... 112 Anexo B.1 Código de implementación del nodo sumidero................................................... 112 Anexo B.2 Código de implementación de los nodos sensores .............................................. 115 Anexo B.3 Código del dispositivo interferente modificado .................................................. 120.

(11) viii. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2. 1: Parámetros de implementación de EM-MAC ........................................................... 42 Tabla 2. 2: Parámetros del escenario de simulación “Carga de tráfico” ..................................... 47 Tabla 2. 3: Parámetros del escenario de simulación “Densidad de nodos”................................. 48 Tabla 2. 4: Parámetros del escenario de simulación “Interferencia externa” .............................. 49.

(12) ix. ÍNDICE DE FIGURAS Fig. 1. 1 Arquitectura de un nodo sensor inalámbrico .................................................................. 6 Fig. 1. 2: Problemas (a) del terminal escondido y (b) del terminal expuesto ............................ 11 Fig. 1. 3: Terminal multicanal Escondido. Fig. 1. 4: Receptor Perdido ............. 13. Fig. 1. 5: Ejemplo de la operación de EM-MAC ........................................................................ 23 Fig. 2. 1: Plataforma Z1 y su diagrama de bloques funcionales.................................................. 32 Fig. 2. 2: Principales funciones definidas por las interfaces rdc_driver y mac_driver ............... 35 Fig. 2. 3: Definición de una tarea en tiempo real ........................................................................ 36 Fig. 2. 4: Posteo de una tarea en tiempo real............................................................................... 36 Fig. 2. 5: Representación a partir de atributos del encabezado de una trama MAC.................... 37 Fig. 2. 6: Funciones para leer y escribir el buffer de paquetes .................................................... 37 Fig. 2. 7: Definición de la interfaz del framer ............................................................................. 38 Fig. 2. 8: Estructura general de un protothread .......................................................................... 39 Fig. 2. 9: Funciones especiales definidas para su uso dentro de los protothreads ...................... 39 Fig. 2. 10: Inicialización de protothreads ................................................................................... 40 Fig. 2. 11: Posteo de eventos ....................................................................................................... 40 Fig. 2. 12: Topología de red a usar en el escenario de simulación “Carga de tráfico”................ 47 Fig. 3. 1: Escenario 1: Goodput de la red .................................................................................... 51 Fig. 3. 2: Escenario 1: Razón de transmisión promedio a nivel físico por saltos (a) TSCH (b) EM-MAC ..................................................................................................................... 52 Fig. 3. 3: Escenario 1: Eficiencia de transmisión de los protocolos EM-MAC y TSCH ............ 53 Fig. 3. 4: Escenario 1: RDC promedio de los protocolos EM-MAC y TSCH ............................ 55 Fig. 3. 5: Escenario 1: RDC promedio por saltos (a) TSCH (b) EM-MAC ................................ 55 Fig. 3. 6: Escenario 1: Paquetes recibidos por el nodo sumidero en EM-MAC y TSCH ........... 57 Fig. 3. 7: Escenario 1: Eficiencia energética de los protocolos EM-MAC y TSCH ................... 57.

(13) x. Fig. 3. 8: Escenario 2: Goodput de la red .................................................................................... 58 Fig. 3. 9: Escenario 2: Saltos promedio hasta el sumidero en EM-MAC ................................... 59 Fig. 3. 10: Escenario 2: Razón de transmisión a nivel físico promedio en EM-MAC ................ 60 Fig. 3. 11: Escenario 2: Número de nodos con goodput del 0% en TSCH ................................. 61 Fig. 3. 12: Escenario 2: RDC promedio de los protocolos EM-MAC y TSCH .......................... 61 Fig. 3. 13: Escenario 2: Eficiencia energética de los protocolos EM-MAC y TSCH ................. 62 Fig. 3. 14: Escenario 2: Intervalo entre beacons RPL para EM-MAC y TSCH.......................... 63 Fig. 3. 15: Escenario 3: Goodput de la red .................................................................................. 65 Fig. 3. 16: Escenario 3: Razón de transmisión a nivel físico para EM-MAC y TSCH ............... 66 Fig. 3. 17: Escenario 3: Eficiencia de transmisión de los protocolos EM-MAC y TSCH ......... 66 Fig. 3. 18: Escenario 3: Número de nodos con goodput inferior al 5% en EM-MAC ................ 67 Fig. 3. 19: Escenario 3: RDC promedio de los protocolos EM-MAC y TSCH .......................... 68 Fig. 3. 20: Escenario 3: Eficiencia energética de los protocolos EM-MAC y TSCH ................. 69.

(14) xi. LISTA DE ABREVIATURAS WSN. Red inalámbrica de sensores (Wireless Sensor Network). MAC. Control de acceso al medio (Medium Access Control). TDMA. Acceso múltiple por división del tiempo (Time Division Multiple Access). RDC. Ciclo útil de radio (Radio Duty Cycling). ASN. Número absoluto de ranuras (Absolute Slot Number). LCG. Generador lineal congruente (Linear Congruential Generator). CCA. Chequeo de canal libre (Clear Channel Assessment). RSSI. Indicación de intensidad de señal recibida (Received Signal Strength Indication). CRC. Chequeo de redundancia cíclica (Cyclic Redundancy Check). FIFO. Cola donde el primer elemento en entrar es el primero en salir (First In, First Out). ACK. Mensaje de confirmación de recepción de paquete (Acknowledgment). RPL. Protocolo de Ruteo para Redes de Baja Potencia y con Pérdidas (Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks). LED. Diodo emisor de luz (Light Emitter Diode). API. Interfaz de programación de aplicaciones (Application Programming Interface). IETF. Fuerza de Trabajo de Ingeniería de Internet (Internet Engineering Task Force). CSMA/CA. Acceso múltiple por verificación de portadora con evitación de colisiones (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). ROM. Memoria de solo lectura (Read Only Memory). RAM. Memoria de acceso aleatorio (Random Access Memory). UDP. Protocolo de datagrama de usuario (User Datagram Protocol). TCP. Protocolo de Control de la Transmisión (Transmission Control Protocol). 6LoWPAN. IPv6 sobre Redes de Área Personal Inalámbricas de Baja Potencia (IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks). CoAP. Protocolo de aplicaciones limitadas (Constrained Application Protocol). EEPROM. Memoria de solo lectura borrable y programable eléctricamente (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). UART. Transmisor-Receptor asincrónico universal (Universal Asynchronous ReceiverTransmitter). I2C. Bus de comunicaciones de circuito inter-integrado (Inter-Integrated Circuit). SPI. Periférico de interfaz serie (Serial Peripheral Interface).

(15) 1. INTRODUCCIÓN En la actualidad, varios dispositivos orientados a la electrónica de consumo como las consolas de videojuegos, los relojes digitales y los electrodomésticos contienen sistemas computacionales embebidos que permiten la comunicación máquina-máquina a través de la creación de redes de datos, específicamente redes ad-hoc inalámbricas. Redes ad-hoc inalámbricas como las Redes Vehiculares y las Redes Inalámbricas de Sensores (WSN, por sus siglas en inglés) forman parte de la vida cotidiana de millones de personas [1]. Valiéndose de los avances experimentados en los campos de la microelectrónica, específicamente la miniaturización de componentes y la agrupación de múltiples funciones en un mismo circuito integrado, y las comunicaciones digitales en la última década del siglo pasado, Kahn, Katz y Pister [2] propusieron combinar sensores, un microcontrolador y un radio para formar un pequeño dispositivo llamado sensor inalámbrico. Múltiples sensores inalámbricos podrían entonces auto-organizarse formando una red inalámbrica para de manera colectiva adquirir y transmitir información relacionada con el medio ambiente circundante. Las ideas planteadas en [2] sirvieron de base para la posterior aparición de las WSN. Las posibles aplicaciones para este tipo de redes ad-hoc inalámbricas son numerosas, ejemplos son: monitoreo ininterrumpido y no invasivo del hábitat de animales salvajes, agricultura de precisión, sistemas de detección de intrusos, monitoreo de las condiciones ambientales, detección precoz de desastres naturales y rastreo de objetos [1]. La tecnología usada para la implementación de WSN debe satisfacer las restricciones introducidas por factores como la tolerancia a fallas, la escalabilidad, el costo, los cambios de topología, el hardware, las características del medio ambiente circundante y el consumo de potencia [1]. Debido a que estas restricciones son muy rigurosas y específicas, las WSN requieren de una arquitectura de red con protocolos de espectro estrecho, diseñados para satisfacer las condiciones requeridas por una aplicación específica. De todas las capas que conforman la arquitectura de las WSN es la Capa de Control de Acceso al Medio (MAC, por sus siglas en inglés) la que presenta los mayores desafíos en cuanto a diseño e implementación [3]. Los protocolos MAC, en el contexto de las WSN.

(16) 2. INTRODUCCIÓN. se encargan del manejo de las transmisiones y recepciones de radio en un medio de propagación compartido por una cantidad arbitraria de nodos sensores, proporcionando conectividad a los protocolos correspondientes a las capas superiores [4]. En los últimos tiempos, se ha experimentado un auge en la creación de protocolos MAC para WSN con soporte para la operación multicanal. Dicho auge ha sido impulsado principalmente por la aparición en el mercado de nodos inalámbricos compatibles con el nivel físico del estándar IEEE 802.15.4 [5]. La transmisión de datos en paralelo es una solución atractiva para aumentar la capacidad en medios de propagación compartidos. El uso de plataformas con soporte multicanal posibilita el aumento de las razones de transmisión, además de brindar gran robustez ante la interferencia y el jamming [6]. No obstante, la operación multicanal en WSN debe enfrentarse a desafíos como el soporte para el tráfico de difusión, la demora inherente al proceso de conmutación de canales y el problema del terminal oculto multicanal [7]. Dos protocolos MAC multicanal de estado del arte son EM-MAC [8] y TSCH [9]. EMMAC es un protocolo orientado a minimizar el consumo de energía mientras que TSCH basa su diseño en un esquema TDMA y enfoca sus esfuerzos en el logro de altas tasas de transferencia exitosa. A pesar de que ambos protocolos presentan soporte para operar a múltiples frecuencias difieren en el tratamiento de aspectos clave como son la organización de la comunicación multicanal y la asignación de canales. A partir de lo expuesto hasta el momento, los autores de esta investigación proponen como problema científico: ¿Cuáles son las fortalezas y debilidades de los protocolos MAC multicanal para WSN EM-MAC y TSCH? El objeto de esta investigación son las redes ad-hoc inalámbricas y el campo de acción son los protocolos MAC para WSN. Para dar solución al problema científico, se define como objetivo general comparar el desempeño de los protocolos MAC multicanal para WSN EM-MAC y TSCH utilizando herramientas de simulación. A fin de alcanzar el objetivo general se proponen los siguientes objetivos específicos: 1. Caracterizar la operación multicanal a nivel MAC en las WSN..

(17) 3. INTRODUCCIÓN. 2. Describir los protocolos EM-MAC y TSCH propuestos para operación multicanal en WSN. 3. Implementar el protocolo MAC multicanal EM-MAC en el sistema operativo ContikiOS. 4. Diseñar escenarios de simulación para la comparación de desempeño de los protocolos EM-MAC y TSCH. 5. Evaluar el desempeño de los protocolos EM-MAC y TSCH a partir de los datos obtenidos de la simulación de los escenarios diseñados. Los objetivos específicos tienen como propósito dar respuesta a las siguientes interrogantes científicas: 1. ¿Cuáles son las características de la operación multicanal dentro del contexto de los protocolos MAC en las WSN? 2. ¿Qué elementos permiten describir los protocolos EM-MAC y TSCH propuestos para operación multicanal en WSN? 3. ¿Qué implementación del protocolo EM-MAC se puede utilizar para comparar su desempeño con el del protocolo TSCH? 4. ¿Qué experimentos permiten comparar el desempeño de los protocolos EM-MAC y TSCH en ambientes de simulación? 5. ¿Cuál es el desempeño de los protocolos EM-MAC y TSCH en los escenarios de simulación diseñados? Para la implementación del protocolo EM-MAC se utiliza el sistema operativo ContikiOS [10] y para las tareas de simulación se emplean el simulador COOJA [11] y la plataforma de desarrollo Z1 [12]. ContikiOS es un sistema operativo de código abierto optimizado para el trabajo con sistemas embebidos limitados en potencia. Contiene varias librerías específicas para WSN y soporta el uso de protothreads [13], lo que facilita considerablemente la implementación de protocolos MAC. Por su parte COOJA (del inglés ContikiOS Java Simulator) es un simulador basado en Java diseñado específicamente para la simulación de WSN. COOJA brinda simulaciones muy fidedignas a partir del uso de varios niveles de abstracción y genera archivos binarios que pueden ser copiados directamente en la memoria de programas de los nodos reales. La plataforma Z1, de la compañía española Zolertia, es compatible con el nivel físico del.

(18) 4. INTRODUCCIÓN. estándar 802.15.4, lo que facilita en gran medida, la implementación de protocolos MAC para WSN. La novedad científica y a la vez los principales aportes de esta investigación radican en la implementación de EM-MAC en ContikiOS y en la comparación del desempeño de los protocolos MAC multicanal EM-MAC y TSCH. Organización del informe El informe de investigación está compuesto por una introducción, capitulario, conclusiones, recomendaciones para investigaciones futuras en el tema, referencias bibliográficas y anexos: Capítulo 1: Se caracterizan las WSN y se exponen los principales requerimientos y restricciones a los que se enfrenta un protocolo de la capa MAC. Se enuncian los retos y beneficios de la operación MAC multicanal en las WSN. Se presentan los mecanismos usados para la asignación de canales y para la organización de la comunicación multicanal. Por último, se describen a fondo los protocolos EM-MAC y TSCH. Capítulo 2: Se fundamenta la selección de las tecnologías ContikiOS, COOJA y Z1. Se presentan los principales aspectos técnicos relacionados con la implementación de protocolos MAC en el contexto del sistema operativo ContikiOS y se caracterizan las respectivas implementaciones de EM-MAC y TSCH. Por último, se describen detalladamente los escenarios de simulación que se utilizan para comparar el desempeño de los protocolos EM-MAC y TSCH. Capítulo 3: Se discuten los resultados de las simulaciones. Se realiza una comparación entre los protocolos MAC multicanal EM-MAC y TSCH según los datos recolectados en las tareas de simulación..

(19) 5. CAPÍTULO 1. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN En el presente capítulo se describen las características fundamentales de la operación MAC multicanal en las WSN. Para ello, en la sección 1.1 se exponen las generalidades de las WSN. La sección 1.2 se dedica a caracterizar la operación a nivel MAC haciendo énfasis en sus principales restricciones. En la sección 1.3 se enumeran las principales ventajas que trae consigo la evolución hacia el uso de múltiples frecuencias de radio y se describen las principales formas de operación multicanal en las WSN, a partir de caracterizar los principales desafíos, los mecanismos de asignación de canales y los métodos para la organización de la comunicación multicanal. En la sección 1.4 se detallan a fondo los protocolos TSCH y EM-MAC. Finalmente, la sección 1.5 resume las conclusiones parciales del capítulo. 1.1 Generalidades de las WSN Las WSN están formadas por un gran número de pequeños dispositivos sensores empotrados distribuidos espacialmente, los cuales forman redes inalámbricas para de manera cooperativa recolectar, procesar y transmitir datos sobre un fenómeno de interés para los usuarios. Una WSN puede contener uno o varios nodos sumidero, a los cuales los nodos sensores les envían los resultados de las mediciones. Un nodo sumidero puede solicitar una medición a un nodo específico y en un momento dado, aunque de manera general los nodos que conforman la red envían sus resultados sin que medie solicitud previa alguna. Los sumideros, típicamente actúan como pasarelas a otras redes, como puede ser la Internet. La arquitectura general de un nodo sensor inalámbrico para WSN se muestra en la Fig. 1.1. Dicha arquitectura puede dividirse en cuatro subsistemas: un subsistema de comunicaciones que permite la comunicación inalámbrica entre nodos vecinos, un subsistema de cómputo que maneja el procesamiento de datos y el funcionamiento general del nodo sensor, un subsistema de adquisición de datos cuya función es la de conectar al nodo sensor con el mundo exterior y un subsistema de energía que se encarga de almacenar la energía eléctrica y de suministrarla al resto de los componentes del nodo sensor con niveles apropiados de voltaje [4]..

(20) 6. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. Fig. 1. 1 Arquitectura de un nodo sensor inalámbrico El subsistema de comunicaciones está formado por un radio y una antena que de manera conjunta se encargan de la transmisión y recepción de los símbolos. Algunos ejemplos comunes de radios usados en los nodos sensores son los CC1000[14] y CC2420 [15] de Chipcon y el NrF905 [16] de Nordic. Las funciones disponibles en la mayoría de los transceptores son [4]: la selección de la frecuencia en la cual se desea operar, la modulación de los datos transmitidos y la demodulación de los recibidos, la sincronización de símbolo, la generación de una señal de reloj y la selección de la potencia de transmisión. El componente principal de los radios para WSN es el transceptor inalámbrico. Como regla general, cada radio tiene un único transceptor inalámbrico, de ahí que la comunicación entre nodos sensores sea half-duplex. Los transceptores disponibles son de baja potencia, corto alcance y bajas tasas de transmisión. Operan en bandas no licenciadas como la de 868-915MHz y la de 2.4GHz. La razón de transmisión típica soportada se encuentra entre los 20Kbps y los 250Kbps, el alcance está comprendido entre unos pocos metros y cientos de metros y la potencia de transmisión no debe rebasar los 1mW [17]. Los nodos sensores deben ser lo suficientemente baratos como para considerarse desechables. Los recursos destinados al procesamiento de datos, a la memoria y al almacenamiento de energía son extremadamente reducidos en comparación con otros.

(21) 7. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. sistemas computacionales actuales, por lo que el uso de software de propósito específico es necesario [18]. Debido a las características de las WSN, donde el despliegue ocurre de manera aleatoria, los nodos sensores deben tener la capacidad de auto configurarse, auto organizarse [1] y operar de manera efectiva bajo condiciones extremas de interferencia. Tradicionalmente, las WSN se usaban en aplicaciones de recolección de datos a una baja tasa de transmisión [19]. Las aplicaciones actuales son mucho más complejas y van desde el rastreo de objetos hasta la transmisión de video en tiempo real. Algunos ejemplos de aplicaciones para WSN de acuerdo a su contexto de operación son: . Monitoreo ambiental y de hábitat: Nodos sensores inalámbricos pueden ser desplegados para la recolección de información detallada sobre la temperatura, la contaminación o la acidez de un medioambiente o hábitat determinado. El monitoreo de la vida salvaje [19] y de las sustancias tóxicas en áreas rurales [20] así como la agricultura de precisión [21] son ejemplos de aplicaciones.. . Vigilancia: Las aplicaciones de vigilancia consideran el problema de la detección de condiciones o situaciones inesperadas a través de una WSN. La detección de intrusos [22] , la vigilancia de las condiciones estructurales de minas de carbón [23], la detección de comportamientos poco comunes en animales de corral [24] y la localización de víctimas en escenarios de desastres [25] son típicos ejemplos.. . Sistemas de detección precoz de desastres: Las aplicaciones de monitoreo de desastres usan WSN como sistemas de detección precoz. Como ejemplos tenemos la detección de incendios forestales [26] e inundaciones [27] y el monitoreo de erupciones volcánicas [28].. . Logística: El control de inventarios y el monitoreo de almacenes [29] son tareas fundamentales dentro de las aplicaciones de logística. Usando WSN, los recursos pueden ser monitoreados desde el proceso productivo hasta que llegan a manos del usuario final.. . Salud: Las aplicaciones médicas usan WSN para el monitoreo de datos fisiológicos. Un ejemplo de aplicación en este campo es la prevención y detección temprana de enfermedades cardiovasculares [30]..

(22) 8. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. En dependencia de los requerimientos de la aplicación, existen tres modelos fundamentales que permiten caracterizar el flujo de información desde los nodos sensores hacia el nodo sumidero [31]. Estos modelos son: . Modelo continuo: Los nodos sensores transmiten sus mediciones periódicamente, hacia el nodo sumidero. Las razones de transmisión son relativamente bajas y el tráfico de la red es predecible.. . Modelo orientado a eventos: Los nodos sensores reportan sus mediciones solo cuando ocurre un evento de interés. Usualmente, estos eventos son raros. No obstante, cuando un evento ocurre, se genera una ráfaga de paquetes que debe ser transportada de manera confiable, y usualmente en tiempo real, al nodo sumidero. Los niveles de tráfico generados son menores que en el modelo continuo, lo que generalmente se traduce en un mayor ahorro de energía.. . Modelo basado en solicitudes: Los nodos sensores transmiten datos solo ante una solicitud explícita por parte del nodo sumidero. La respuesta a la solicitud le brinda al usuario una actualización de las variables monitorizadas por la aplicación. El nodo sumidero puede además, enviar solicitudes orientadas a tareas de reconfiguración de la red o de actualización del software de los nodos sensores.. En la mayoría de las aplicaciones, los modelos de transmisión de datos descritos anteriormente pueden coexistir en la red, dando lugar a un modelo híbrido. En el modelo continuo, si los nodos sensores transmiten datos al nodo sumidero en intervalos largos, digamos cada una hora, se puede decir que la red opera bajo condiciones de carga ligera. Bajo estas condiciones, la razón de transferencia exitosa y la utilización no suponen una preocupación a la hora de garantizar el correcto funcionamiento de la WSN. En cambio, si la aplicación requiere reportes frecuentes del estado de las variables monitorizadas, entonces mayores cantidades de datos necesitan ser transmitidos hacia el nodo sumidero y la razón de transferencia exitosa pasa a ser de vital importancia. En los modelos basados en solicitudes y en eventos, las necesidades en cuanto a razón de transferencia exitosa y utilización dependen de las características de la solicitud o del evento en cuestión..

(23) 9. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. 1.2 Características de la capa MAC en las WSN La coordinación del acceso a un medio compartido por una gran cantidad de nodos con recursos limitados, en el contexto inalámbrico en que se desarrollan las WSN se hace sumamente difícil. Un protocolo MAC para WSN debe enfrentarse a retos como: la eficiencia en el consumo de energía, la minimización de la pérdida de paquetes, la planificación de los períodos de transmisión y recepción, el soporte para la movilidad de los nodos, las estrategias de recuperación ante fallas, la escalabilidad y el logro de tasas de transferencia exitosa que respondan a las necesidades de las aplicaciones. La capa MAC es la encargada de establecer los enlaces para la transferencia de datos, es la responsable de construir la topología básica de la red y debe facilitar la capacidad para la auto-organización y la auto-configuración de los nodos. En las WSN, el consumo de energía cuando los radios se encuentran encendidos es alto, siendo esta la mayor fuente de consumo de potencia para los nodos sensores inalámbricos [32]. Por lo tanto, la eficiencia energética de los protocolos MAC convencional no es adecuada para redes de recursos limitados como las WSN. Contribuciones al ahorro de energía pueden obtenerse a partir del uso de técnicas de ciclo útil de radio (RDC, por sus siglas en inglés). Las técnicas RDC básicamente consisten en dividir el tiempo en un período corto (activo) durante el cual el radio se enciende y es posible establecer la comunicación seguido de un período largo durante el cual el radio se mantiene apagado (inactivo), ambos períodos, el activo y el inactivo, se suceden repetidamente. La energía que se disipa en el proceso de conmutación del estado inactivo al activo no es despreciable [33], de ahí que se recomienda que el intervalo durante el cual el radio se mantiene apagado sea lo más largo posible. Teóricamente, un protocolo MAC alcanza su eficiencia energética máxima cuando los nodos fuente y destino encienden sus radios de manera simultánea y en el mismo canal de frecuencia, mientras que los otros nodos, no participantes en la comunicación se mantienen con sus radios en estado inactivo. El principio anterior no es realizable debido a limitaciones de índole práctica. La desviación de frecuencia y el tiempo de estabilización de los osciladores, de los radios de bajo costo usados en las WSN, trae consigo dificultades en la sincronización entre los nodos y la aparición de un tiempo de conmutación no despreciable cuando el radio pasa del estado inactivo al activo..

(24) 10. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. El diseño de un protocolo MAC fiable y eficiente debe tener en cuenta los siguientes elementos [32, 34]: . Escucha inactiva: La escucha inactiva ocurre cuando el radio de un nodo está encendido y escuchando en un canal, pero sin recibir información útil alguna, lo cual resulta en un desperdicio de energía. Este fenómeno está dado por el hecho de que un nodo nunca conoce de manera exacta en que momento se transmitirá un paquete dirigido a él.. . Colisiones: Cuando dos nodos transmiten simultáneamente y a la misma frecuencia, ocurre una colisión en el área donde sus radios de cobertura se superponen. En dicha área los datos se reciben con errores, desperdiciándose recursos energéticos tanto en el nodo transmisor, que debe retransmitir la trama, como en el nodo receptor, que recibe una trama corrupta y sin valor alguno. Las colisiones también afectan de manera sensible la razón de transferencia exitosa de la red.. . Sobre escucha: El envío de un paquete destinado a un único nodo en un medio inalámbrico compartido, puede causar que otros nodos, distintos de aquel al que va dirigida la transmisión, reciban el paquete. Este fenómeno trae consigo el desperdicio de los recursos energéticos pues se recibe y se procesa un paquete que no contiene información útil.. . Sobrecarga de protocolo: El encabezado añadido por el protocolo MAC y mensajes de control como reconocimientos (ACK, por sus siglas en inglés) y beacons son considerados sobrecargas, debido a que no contienen información de la capa de aplicación y aun así consumen energía. Las sobrecargas impuestas por los protocolos MAC para WSN descartan la posibilidad de usar mecanismos de control y planificación sofisticados, que intercambien información detallada sobre el estado de la topología de red a nivel de enlace de datos.. . Fluctuaciones de tráfico: El tráfico generado por los nodos en las WSN puede fluctuar en el tiempo y depende profundamente del tipo de aplicación. Los picos de carga generados en las aplicaciones basadas en eventos pueden conducir a la red a un estado de congestión, lo que aumenta la cantidad de colisiones o de manera alternativa el tamaño de la ventana de retroceso. En ambos casos se desperdicia energía y se degradan parámetros de red como la razón de transferencia exitosa. La creación de protocolos MAC para WSN, que se comporten de manera eficiente ante distintas.

(25) 11. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. cargas de tráfico, necesita de un diseño totalmente independiente del tipo de aplicación que se desee implementar. Esto ha demostrado ser extremadamente difícil y es otro de los retos a los cuales se enfrenta la capa MAC en las WSN. . Problema del terminal escondido: Este problema ocurre cuando un nodo sensor no es capaz de detectar un competidor potencial por el medio, debido a que dicho competidor se encuentra fuera de su radio de cobertura. En la Fig. 1.2 (a), en un instante de tiempo dado, A transmite una trama y C escucha al medio. Bajo estas condiciones C es incapaz de escuchar la transmisión de A y erróneamente asume que el canal se encuentra libre. Si C transmite una trama, esta colisiona con la enviada por A, en el punto de recepción B. Ante esto, ambos mensajes se pierden y por lo tanto deben ser retransmitidos, desperdiciándose recursos energéticos.. . Problema del terminal expuesto: Este problema ocurre cuando un nodo sensor detecta erróneamente a un competidor potencial por el medio. En la Fig. 1.2 (b) el nodo C desea transmitir una trama a D a la misma vez que B desea enviar un mensaje al nodo A. Si C escucha al medio, detecta la transmisión de B, concluye erróneamente que el canal se encuentra ocupado y no le transmite la trama a D. No obstante, si ambas transmisiones se llevan a cabo, los mensajes provenientes de C y de B colisionan solo en la zona localizada entre ellos, donde no se encuentra ubicado ninguno de los dos nodos destino. Por lo tanto, para el ejemplo de la Fig. 1.2 (b) A y D son capaces de recibir tramas provenientes de B y C respectivamente, aun cuando estas sean transmitidas simultáneamente.. (a). (b). Fig. 1. 2: Problemas (a) del terminal escondido y (b) del terminal expuesto 1.3 Comunicación MAC multicanal en las WSN En los últimos tiempos ha habido un auge en la creación de plataformas con capacidad para la operación multicanal. Por ejemplo, las plataformas MICAz [35], Telos [36] y Z1 usan radios CC2420, los cuales proveen 16 canales sin interferencia espaciados 5MHz en.

(26) 12. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. la banda de 2.4GHz. Con la aparición del soporte de hardware para el trabajo a múltiples frecuencias, los protocolos MAC para WSN han transitado hacia la operación multicanal. La evolución hacia el uso de múltiples canales para la transmisión de datos trae consigo dos beneficios fundamentales[37]: . Minimización de la interferencia externa: Existen múltiples estándares para comunicaciones inalámbricas operando en las mismas bandas de frecuencia no licenciadas (por ejemplo 802.11 [38], 802.15.4 y 802.15.1 [39] trabajan en la banda de 2.4GHz). De ahí que las técnicas de diversidad de canal contribuyen a la disminución de la interferencia de carácter externo.. . Aumento de la razón de transferencia exitosa: El uso de la transmisión en paralelo en los protocolos MAC multicanal permite que múltiples dispositivos puedan establecer comunicación en un mismo intervalo de tiempo. Esto último puede aumentar considerablemente la tasa de transmisión de los nodos sensores.. Para la caracterización de la comunicación MAC multicanal, llevada a cabo en esta investigación, se tienen en cuenta varios protocolos de estado del arte [8, 9, 40-55] definidos específicamente para WSN. 1.3.1. Desafíos de la operación multicanal. Además de los retos inherentes a todo protocolo MAC para WSN (ver sección 1.2) la operación multicanal incluye desafíos propios. En un ambiente multicanal, los radios de los nodos conmutan a través de varios canales en aras de mejorar el desempeño global de la red. No obstante, es necesario que en el momento en que se establece la comunicación entre un transmisor y un receptor, ambos se encuentren operando a la misma frecuencia. De ahí que la distribución de los canales y la organización de la comunicación entre los nodos vecinos son los dos desafíos fundamentales a los que debe enfrentarse un protocolo MAC multicanal [6]. De estos dos desafíos se derivan los siguientes problemas [7]: Terminal oculto multicanal: Este problema se muestra en la Fig. 1.3. Ocurre cuando un nodo C está ocupado transmitiendo o recibiendo en un canal de datos y un nodo vecino A inicia un proceso de reservación de canal, en un canal de control. Como el nodo C está activo en un canal diferente al de coordinación, no es capaz de percatarse de la frecuencia de transmisión seleccionada por A y por lo tanto, en su próximo periodo de intercambio.

(27) 13. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. de datos puede escoger el mismo canal que su vecino, causando una colisión. Para evitar este problema protocolos como los definidos en [40-42] utilizan un esquema distribuido, sin uso de un canal de control, para la asignación de canales. Otra solución, usada en los protocolos descritos en [43-46] consiste en asignar canales diferentes a todos los nodos dentro de un mismo dominio de colisión. Receptor perdido: Este problema ocurre cuando los radios de los nodos fuente y destino se encuentran en canales diferentes. Bajo estas condiciones es imposible el establecimiento de la comunicación. En la Fig. 1.4 se muestra el problema del receptor perdido: un nodo A trata de establecer comunicación con un nodo B, mientras B se encuentra en otro canal involucrado en un proceso de intercambio de datos.. Fig. 1. 3: Terminal multicanal Escondido. Fig. 1. 4: Receptor Perdido. Soporte para difusión: El problema del receptor perdido dificulta el soporte para el tráfico de difusión. En un ambiente mono-canal1, los paquetes de difusión son escuchados por todos los nodos vecinos pero en un escenario multicanal, donde a los nodos vecinos se les asigna diferentes frecuencias para la recepción, algunos dispositivos pueden no escuchar los paquetes de difusión. Una solución a este problema, propuesta en los. 1. Un ambiente MAC mono-canal se caracteriza por el uso de un único canal de frecuencia para el establecimiento de la comunicación entre los nodos vecinos..

(28) 14. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. protocolos descritos en [40, 45, 47], consiste en introducir periodos de tiempo durante los cuales todos los nodos van a un mismo canal para intercambiar mensajes de difusión. Demora en la conmutación de canales: Para cambiar su frecuencia de operación, un radio necesita un tiempo no despreciable conocido como tiempo de conmutación de canal (alrededor de 200µs para radios CC2420). Durante ese tiempo, el dispositivo, a pesar de mantenerse encendido es incapaz de establecer la comunicación con otros nodos vecinos y por lo tanto se desperdicia energía. En comparación con el tiempo que demora la transmisión de un mensaje en una WSN (un máximo de 406,4 µs para radios IEEE 802.15.4), la sobrecarga producto del tiempo de conmutación de canal no puede ser ignorada. En los protocolos definidos en [47, 48] los nodos solo cambian su frecuencia cuando su canal actual se encuentra congestionado o bajo interferencia externa extrema. De esta manera se minimiza el número de saltos de frecuencia que un nodo debe realizar y se resuelve parcialmente el problema que ocasiona la demora en la conmutación de canales. Interferencia entre diferentes canales: La interferencia de canal adyacente tiene un impacto negativo en la recepción de señales de radiofrecuencia, de ahí que sus efectos deben tenerse en cuenta a la hora de diseñar protocolos MAC multicanal. Este tipo de interferencia interna puede causar colisiones inesperadas y por lo tanto pérdida de paquetes. En [49], para minimizar la interferencia entre los diferentes canales, se usan frecuencias ortogonales no adyacentes para la comunicación entre los dispositivos que conforman la red. Una desventaja de este método es que reduce considerablemente el número de canales disponibles para el intercambio de datos. En los protocolos basados en clusters, como los definidos en [50, 51] , la interferencia interna puede ser minimizada a través de un mecanismo de asignación de canales basado en la negociación inter-cluster. Incorporación a la red: Cuando un nodo se incorpora a una red multicanal puede seleccionar una frecuencia de radio inicial aleatoria [40-42] o preestablecida[47, 48] o en su lugar puede escanear todos los canales disponibles hasta encontrar uno adecuado para la transmisión [43, 52, 53]. La selección de uno u otro método es otro de los problemas sin resolver dentro de las comunicaciones multicanal en WSN. 1.3.2. Formas de operación multicanal.

(29) 15. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. La operación de un protocolo MAC multicanal para WSN se puede caracterizar a partir de los mecanismos que usa para la distribución de las frecuencias y para la organización la comunicación entre los nodos vecinos. A partir del análisis de estos dos elementos, es posible determinar las principales fortalezas y debilidades, el posible rango de aplicaciones y el comportamiento ante distintos patrones de tráfico e interferencia de un protocolo MAC multicanal específico. Los mecanismos usados en la actualidad, para la asignación de canales en los protocolos MAC para WSN, pueden clasificarse en fijos, semi-dinámicos o dinámicos [7]. En los mecanismos fijos, [49, 54] a los nodos se les asigna un canal permanente tanto para la transmisión como para la recepción de tramas. La frecuencia de operación generalmente no cambia durante toda la operación de la red, aunque en algunos casos la asignación de canales puede ser renovada, por ejemplo, debido a la aparición de condiciones de interferencia externa. La distribución fija de canales limita la conectividad de la red, el soporte para la movilidad de los dispositivos y la respuesta ante los cambios de topología debido a que nodos con diferentes frecuencias de operación no pueden comunicarse entre sí. En la distribución semi-dinámica [43-45, 55], a los nodos se le asigna un canal permanente ya sea para la transmisión o recepción de tramas, aunque al igual que en la asignación fija, las frecuencias pueden ser reasignadas ante condiciones extremas de interferencia. Los radios de los dispositivos pueden cambiar su canal para establecer la comunicación con nodos que operan en frecuencias diferentes. Como los nodos transmiten o reciben en un canal fijo, la red no es capaz de responder rápidamente ante la aparición de condiciones de interferencia, y varios dispositivos pueden quedar aislados durante el tiempo que toma el proceso de reasignación de frecuencias. Esto afecta de manera sensible la disponibilidad de la WSN y la respuesta ante los cambios de topología. Con respecto a la distribución fija, la asignación semi-dinámica de canales mejora la conectividad de la red y el soporte para la movilidad. En el método de asignación dinámica [40, 41, 46, 48], los nodos pueden conmutar de un canal a otro en transmisiones sucesivas. Un problema inherente a la distribución dinámica de frecuencias es que los radios de los dispositivos cambian continuamente de canal, de ahí que la demora de conmutación de canales es uno de los principales desafíos a los que.

(30) 16. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. debe enfrentarse este acercamiento. La asignación dinámica de canales se clasifica en tres sub-categorías según sea el método de coordinación usado: . Canal de control dedicado: La negociación del canal a usar para la transmisión de datos se lleva a cabo mediante el intercambio de paquetes de coordinación en un canal de control dedicado. Después de que se establecen los canales para la transmisión de datos, pasa un tiempo arbitrario antes de que los nodos vuelvan al canal de coordinación para redistribuir los canales de frecuencia. Una debilidad de esta técnica radica en que si el canal de control experimenta interferencia, entonces no será posible el establecimiento de la comunicación entre los dispositivos que conforman la red. Además, el uso de un canal exclusivamente para tareas de coordinación reduce en uno la cantidad de canales que pueden ser usados para la transmisión de datos, pudiendo afectarse de esta manera la razón de transferencia exitosa de la red. El método del canal de control dedicado, de manera similar a la distribución semi-dinámica de canales no es capaz de brindar una respuesta inmediata ante los cambios de topología.. . Fase compartida: Los nodos acceden al medio en dos fases: una de control y una de transmisión de datos. Durante la fase de control, todos los dispositivos conmutan a un canal de control común para negociar con sus posibles receptores las frecuencias a ser usadas durante la fase de intercambio de datos. Usualmente, durante la etapa de control, el acceso al medio es basado en mecanismos de contención. Dos ventajas con respecto al método del canal de control dedicado son: el tiempo que debe esperar un nodo para incorporarse a la red es generalmente menor y el canal de control puede ser usado para el establecimiento de la comunicación durante la fase de intercambio de datos. En la mayoría de los protocolos que usan el método de la fase compartida, el canal de control a usar no es fijo y puede variar ante condiciones de interferencia externa extrema.. . Saltos de frecuencia: Los nodos saltan o, en otras palabras, conmutan a través de una secuencia de canales siguiendo un algoritmo, ya sea preestablecido o determinado durante la operación de la red. Dos dispositivos paran de saltar luego de establecer un acuerdo para el intercambio de datos y retornan al algoritmo de saltos de frecuencias después de que la transmisión ha finalizado. A diferencia de las dos técnicas de asignación dinámica de canales vistas hasta el momento, el método de los saltos de frecuencia no usa un canal de control común por lo que es más resistente ante la.

(31) 17. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. interferencia interna y externa, es superior en cuanto a la escalabilidad de la red, al soporte para la movilidad y a la respuesta ante los cambios de topología. La técnica de los saltos de frecuencia es ideal en ambientes caracterizados por una alta densidad de nodos. Una desventaja de este método radica en que los mecanismos de coordinación usados para el establecimiento de la comunicación son de manera general más complejos que los usados en las técnicas de canal de control dedicado y de fase compartida. En la actualidad existen tres tendencias fundamentales en cuanto a la organización de la comunicación multicanal [56]. Según la tendencia que implemente, un protocolo MAC multicanal para WSN puede clasificarse en: asincrónico, sincrónico o híbrido. Los protocolos asincrónicos se concentran en el hecho de establecer una comunicación multicanal eficiente entre dos nodos que tienen diferentes RDC y generalmente, priorizan el ahorro de energía en detrimento de la razón de transferencia exitosa. En este tipo de protocolos es común que los transmisores experimenten periodos de contención fuerte en aras de establecer la comunicación con un receptor potencial. Como regla general, una ventaja de los protocolos asincrónicos sobre los sincrónicos es la minimización de la sobrecarga debida a los mensajes de coordinación. Ejemplos de protocolos asincrónicos son los definidos en [42, 44, 49]. Los protocolos sincrónicos se basan en esquemas TDMA y a cada nodo de la red se le asigna una o varias ranuras. En algunos casos las ranuras de tiempo se asignan de manera exclusiva a los dispositivos, para la transmisión en lugar de para la recepción, eliminando así la contención. Este tipo de protocolos garantiza el aumento de la razón de transferencia exitosa siendo menos importante los niveles de consumo de energía. A diferencia del enfoque asincrónico, en los protocolos sincrónicos es común que varios pares de nodos establezcan la comunicación en el mismo instante de tiempo (misma ranura) pero en diferentes canales. Protocolos sincrónicos representativos son los descritos en [41, 43, 46, 55] En el acercamiento híbrido se combina lo mejor de ambos mundos con el objetivo de diseñar protocolos eficientes energéticamente que sean capaces de lograr altas tasas de.

(32) 18. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. transferencia exitosa. En [40, 45, 47] se definen protocolos que usan un esquema híbrido para la organización de la comunicación. 1.4 Protocolos MAC multicanal TSCH y EM-MAC EM-MAC y TSCH son protocolos MAC multicanal de estado del arte diseñados específicamente para redes con recursos limitados como las WSN. Los mecanismos de asignación de canales de ambos protocolos, a pesar de ser basados en saltos de frecuencia, difieren notablemente en cuanto al algoritmo usado para la distribución. La selección de EM-MAC y TSCH para su comparación se debe fundamentalmente a que representan tendencias opuestas en cuanto a la organización de la comunicación multicanal. EMMAC es un protocolo de tipo asincrónico y se enfoca en minimizar el consumo de energía de los nodos, mientras que TSCH es un protocolo de tipo sincrónico basado en un esquema TDMA orientado a maximizar la razón de transferencia exitosa de la red. En la presente sección se describe a fondo el funcionamiento de los protocolos MAC multicanal EM-MAC y TSCH. 1.4.1. Protocolo TSCH. El protocolo TSCH definido en el estándar 802.15.4e de la IEEE utiliza la multiplexación por división del tiempo y los saltos de frecuencia para crear redes robustas con alta tolerancia ante fallas. Las técnicas de redundancia temporal y espectral se enfocan en mejorar parámetros de red como la razón de transferencia exitosa y la resistencia ante la interferencia. En las redes TSCH existe un nodo coordinador cuya única función es la de servir como referencia de tiempo. En el estándar no se especifica la manera en que se debe seleccionar el nodo coordinador. En TSCH, una trama se define como una colección de ranuras de tiempo que se repiten periódicamente. En cada ranura de tiempo un dispositivo puede enviar o recibir un único mensaje y de manera opcional enviar o recibir un ACK. El tamaño de una trama es igual a la cantidad de ranuras que contiene. Un nodo puede tener ranuras vacías en las cuales ni transmite ni recibe datos, durante el tiempo correspondiente a este tipo de ranuras, el radio del nodo se mantiene apagado. Una red TSCH puede contener múltiples tramas concurrentes de diferentes tamaños. Múltiples tramas pueden ser usadas para definir.

(33) 19. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. diferentes patrones de comunicación para distintos grupos de nodos o para brindar mecanismos de calidad de servicio. Un nodo puede participar en una o más tramas simultáneamente. En un instante de tiempo dado, el número total de ranuras de tiempo que han transcurrido desde el inicio de la red (el instante de inicio de la red lo determina el coordinador de manera arbitraria) se conoce como número absoluto de ranuras (ASN, por sus siglas en inglés). El ASN, unido al uso de marcas de tiempo permite el logro del sincronismo en las redes TSCH. La comunicación directa entre dispositivos en una ranura de tiempo se conoce como enlace. Los enlaces pueden ser de transmisión exclusiva, de transmisión compartida, de recepción o comunes. En una ranura de tiempo donde se planifica un enlace de transmisión exclusiva solo un nodo dentro de la red TSCH puede transmitir, el resto de los nodos, excepto aquellos donde se planifica un enlace de recepción, pasa al estado inactivo. En el caso de los enlaces de transmisión compartida, varios nodos dentro de la red TSCH entran en contención por el derecho a transmitir. Para disminuir las colisiones durante este tipo de enlaces, TSCH utiliza un mecanismo de tipo CSMA-CA. Existen enlaces unicast y de difusión. En los enlaces unicast de transmisión, ya sea exclusiva o compartida, se conoce de antemano la dirección de los posibles nodos destino. Dichas direcciones se establecen en el momento en que se configura el enlace y pueden ser modificadas en cualquier instante. En un enlace común todos los nodos de la red comparten la misma ranura de tiempo, tanto para transmisión como para recepción. En este tipo de enlaces también se usa un mecanismo CSMA-CA para evitar las colisiones y manejar la contención. A diferencia de en los enlaces de transmisión compartida, los nodos que pierden en la contención o que no tienen nada que transmitir son posibles receptores y por lo tanto mantienen su radio encendido. El canal de frecuencia en el cual se desarrolla el enlace lo calcula cada nodo de manera independiente usando la siguiente ecuación: CH = ListaSaltosFrec[(ASN + channelOffset)% HoppingSequenceLength] (1.1).

(34) 20. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. El channelOffset es un número entero aleatorio característico de cada enlace (de manera general, enlaces diferentes tienen diferentes valores de channelOffset). El uso de este parámetro permite que varios enlaces que coexisten en una misma ranura de tiempo, se desarrollen en canales diferentes. Una lista de saltos de frecuencia está formada por un conjunto de canales que pueden repetirse o no. La lista de saltos de frecuencia por defecto es una lista seudo-aleatoria no ordenada de todos los canales disponibles no repetidos. El número de elementos de las listas de conmutación de canales se describe a partir de la variable HoppingSequenceLength. Una red TSCH comienza a formarse cuando un nodo coordinador anuncia la existencia de la misma a través de la transmisión de beacons. En los beacons se incluye información relacionada con los saltos de frecuencia, con la temporización global de la red (ASN y marcas de tiempo) y con las tramas y los enlaces que deben configurar inicialmente los dispositivos. En un primer momento, solo el nodo coordinador forma parte de la red TSCH. Un nodo que desee incorporase a la red comienza a escanear cada uno de los canales disponibles de manera aleatoria hasta que recibe un mensaje de tipo beacon. En este punto el dispositivo ajusta su reloj y se sincroniza a la red TSCH. Un dispositivo, después de haberse sincronizado, puede comenzar a transmitir mensajes de tipo beacon para anunciar la existencia de la red de la misma manera en que lo hace el nodo coordinador. Para permanecer sincronizados, los dispositivos dentro de una red TSCH deben tener la misma noción con respecto al instante en el que comienza una ranura de tiempo. Típicamente, el tiempo se propaga desde el nodo coordinador. Un nodo debe sincronizar su reloj periódicamente utilizando uno o más vecinos como referencia de tiempo. La manera en que cada nodo selecciona sus referencias de tiempo no se especifica en el estándar, esto último atenta contra la interoperabilidad entre dispositivos confeccionados por diferentes fabricantes. 1.4.2. Algoritmos para la construcción del esquema TDMA en TSCH. El protocolo TSCH, a pesar de basar la comunicación entre los nodos en un esquema TDMA, no incluye métodos para determinar cuáles nodos transmiten y cuáles reciben en.

(35) 21. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. cada una de las ranuras de tiempo. Por lo tanto, es el usuario quien debe diseñar el mecanismo mediante el cual se distribuyen los enlaces entre los nodos. En [57] se describen dos algoritmos para la confección del esquema TDMA en TSCH: uno basado en ALOHA y otro basado en la reservación de ranuras. En ambos, por cada una de las L ranuras de tiempo que conforman una trama se mantiene un estado Si, un canal Ci y un vecino Ni. Hay cinco estados posibles: “ALOHA”, “Petición de conexión para transmisión”, “Petición de conexión para recepción”, “Transmisión” y “Recepción”. A una ranura de tiempo se le asigna un canal Ci y un vecino Ni solo en los últimos cuatro estados. ALOHA es el estado por defecto. Se establece un enlace unicast entre los nodos A y B, con el nodo A como transmisor y el nodo B como receptor, cuando A y B tienen la misma ranura de tiempo en estados de Transmisión y Recepción respectivamente. En todas las ranuras con estado ALOHA se establece un enlace TSCH de tipo común. La diferencia principal entre ambos algoritmos radica en la forma en que se transmiten los mensajes de control para el establecimiento de enlaces: el algoritmo basado en ALOHA utiliza un canal común para este propósito mientras que el basado en reservación de ranuras utiliza todos los canales durante la ranura 0. En ninguno de los dos algoritmos se especifica la forma en que los nodos seleccionan sus fuentes de sincronismo. El protocolo Orchestra [58], a diferencia de los dos algoritmos descritos anteriormente, no utiliza mecanismos de negociación o de señalización que involucren la transmisión de mensajes entre nodos vecinos y por lo tanto no supone sobrecarga alguna. Los dispositivos de la red TSCH construyen su esquema TDMA de una manera local y autónoma, basándose en sus vecinos y sus padres RPL [59]. En Orchestra, cada hijo toma a su padre RPL como fuente de sincronismo. Un esquema TDMA para TSCH, generado por Orchestra, contiene diferentes tramas de diferentes tamaños. Cada trama se dedica a un tipo de tráfico en particular: señalización RPL, señalización TSCH (beacons) o datos de la capa de aplicación. Los tamaños de las diferentes tramas creadas por Orchestra son mutuamente primos, lo que asegura que las ranuras se superpongan unas con otras de manera uniforme. En cada trama hay un conjunto de ranuras donde no ocurre transmisión de datos con el objetivo de disminuir el valor del RDC de los dispositivos y la probabilidad de que en una misma ranura un nodo.

(36) 22. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. tenga enlaces en dos tramas diferentes. A continuación, se muestra la creación de un esquema TDMA mediante el uso de Orchestra. El esquema de ejemplo cuenta con tres tramas y cada una de ellas se define a través de una regla. La primera trama se dedica a la transmisión de beacons TSCH. A cada nodo se le asigna un enlace de difusión de transmisión exclusiva para el envío de beacons y un enlace de recepción para escuchar los beacons provenientes de su fuente de sincronismo. La primera trama es la mayor de las tres, tiene la mayor prioridad y contiene a las otras dos. Su tamaño se toma de manera tal que en todas las ranuras no ocurre intercambio de datos. Los nodos que tienen la misma fuente de sincronismo, reciben en la misma ranura y todas las transmisiones son libres de colisiones y de contención. La segunda trama se dedica al intercambio de mensajes RPL. Solo hay intercambio de información en una ranura y en el resto todos los nodos se mantienen apagados. En la única ranura donde ocurre transmisión de datos, cada uno de los nodos desarrolla un enlace de tipo común. En la tercera trama, a todo dispositivo se le configura un enlace unicast de transmisión exclusiva, destinado al tráfico de datos de la capa de aplicación. Cada uno de los nodos que conforma la red escucha las transmisiones de sus hijos y de su padre RPL. La ranura y el canal en el que se despiertan los nodos para transmitir se determina a partir de su dirección MAC. 1.4.3. Protocolo EM-MAC. EM-MAC es un protocolo multicanal asincrónico. No usa un canal de control común y no necesita que los nodos vecinos intercambien, de manera explícita, información relacionada con la planificación del RDC y de los saltos de frecuencia. En cambio, cada nodo decide de manera independiente los instantes en que se desarrollan sus intervalos activos 2 así como el canal de frecuencia a usar en cada uno de dichos intervalos.. 2. Períodos de tiempo durante los cuales el radio del nodo se encuentra encendido para la recepción de tramas de datos..

(37) 23. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. EM-MAC es un protocolo iniciado en el receptor. En la Fig. 1.5, el nodo R difunde un mensaje de tipo beacon para notificar a los posibles transmisores que está despierto y listo para recibir paquetes. Después de recibir el beacon, el nodo S le envía a R un paquete de datos, a lo que R responde con un ACK para confirmar que el mensaje ha sido recibido de manera correcta. Este ACK también se usa como beacon para indicar a otros transmisores que R está listo para recibir más mensajes. En EM-MAC, un nodo tiene permitido enviar un único mensaje por período activo del receptor. En el ejemplo de la Fig. 1.5, cuando R se despierta por segunda ocasión, ningún nodo le transmite un paquete de datos. Ante esta situación, el nodo R apaga su radio y vuelve rápidamente al estado inactivo. El instante en el que comienza un intervalo activo, es igual al instante de tiempo en que el nodo se despertó por última vez más un tiempo Twake-up seleccionado de manera seudoaleatoria. El tiempo Twake-up, tiene un límite inferior TminInterval. y. un límite superior. TmaxInterval.. Fig. 1. 5: Ejemplo de la operación de EM-MAC Un transmisor determina el canal y el inicio del período activo del receptor a partir de su conocimiento sobre el estado de predicción del nodo destino. Un estado de predicción contiene los siguientes datos: el tiempo de inicio de un período activo pasado, la información de selección de canal y el modelo de tiempo. El modelo de tiempo de un nodo destino R, calculado por un nodo fuente S se compone de dos variables k y b. El valor de k indica la diferencia entre la razón de reloj de R y S mientras que b denota la diferencia inicial entre los relojes. Un nodo fuente, calcula el tiempo actual de un nodo destino a partir de la siguiente expresión:.

(38) 24. OPERACIÓN MULTICANAL EN PROTOCOLOS MAC PARA WSN. y =k∗x+b. (1.2). donde x es el tiempo actual del nodo fuente e y es el tiempo actual del nodo destino calculado por el nodo fuente. Si un transmisor tiene un mensaje que enviar, pero no conoce el estado de predicción del receptor, debe seleccionar un canal aleatorio y escuchar al medio. Después de recibir un beacon proveniente del nodo destino, el transmisor envía el mensaje, pero no sin antes activar una bandera en el encabezado del paquete de datos, solicitando al receptor que incluya dentro del ACK la información necesaria para construir su estado de predicción. Llamaremos algoritmo de localización al procedimiento que le permite a un transmisor obtener el estado de predicción de un nodo vecino. Al inicio de la red ningún nodo conoce los estados de predicción de sus vecinos. Si varios dispositivos ejecutan a la vez el algoritmo de localización puede ocurrir que dos nodos jamás se encuentren afectando seriamente la conectividad de la red. Los autores de esta investigación, en aras de implementar el protocolo proponen la siguiente solución: cuando un nodo se incorpora a la red entra en un estado de descubrimiento de vecinos el cual consiste en escuchar en un canal fijo (todos los nodos escuchan en el mismo canal) durante un tiempo Tdiscovery en espera de beacons. El tiempo Tdiscovery se calcula mediante la siguiente expresión: Tdiscovery = Tblack + 2 ∗ Nch ∗ TmaxInterval. (1.3). donde Nch es la cantidad de canales disponibles en el medio físico y Tblack es el tiempo máximo que un receptor puede estar sin visitar un canal que ha experimentado condiciones de interferencia extrema. EM-MAC puede usar cualquier generador de números seudo-aleatorios para la obtención de los esquemas RDC y de saltos de frecuencia, pero sus autores recomiendan el uso de un generador lineal congruente [60] (LCG, por sus siglas en inglés) debido a su alta eficiencia computacional y a sus bajos requerimientos de memoria. Usando el LCG, el nodo es capaz de generar un arreglo de saltos de frecuencia de Nch canales no repetidos. Al inicio de cada uno de los intervalos activos el nodo se despierta en el siguiente canal del arreglo de saltos de frecuencia. Cuando el nodo se ha despertado Nch veces, el orden.