Comparación de desempeño de los protocolos MAC para las redes inalámbricas de sensores: MuChMAC y ContikiMAC

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Comparación de desempeño de los protocolos MAC para las Redes Inalámbricas de Sensores: MuChMAC y ContikiMAC.. Autor: Sergio Luis Garí Santesteban 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 Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Comparación de desempeño de los protocolos MAC para las Redes Inalámbricas de Sensores: MuChMAC y ContikiMAC.. Autor: Sergio Luis Garí Santesteban e-mail: [email protected]. Tutor: MSc. Carlos Manuel García Algora Prof. Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica Facultad de Ingeniería Eléctrica. UCLV e-mal: [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 publicados 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) PENSAMIENTO. “El ignorante afirma, el sabio duda y reflexiona”. Aristóteles. i.

(5) DEDICATORIA. A toda mi familia, en especial a mis padres, las dos personas más importantes en mi vida y a los cuales les debo todo lo que soy. A todos los amigos que siempre han estado a mi lado. A todos los que me han apoyado en algún momento de mi vida.. ii.

(6) AGRADECIMIENTOS A mi madre en primer lugar, que la amo, aunque nunca se lo diga, porque toda la ternura del mundo se resume en ella, por todo su amor, dedicación, confianza, sacrificio y por haber sido yo en todo momento el centro de su vida. A mi padre que lo quiero con la vida, por haberme apoyado siempre y por ser mi inspiración para ser cada día mejor persona. A toda mi familia, en especial a mis abuelos que siempre han estado cuando los he necesitado, a mi novia y a Victor. A mi tutor Carlos Manuel García Algora, ejemplo de constancia, sacrificio y excelente profesional. Porque sin su ayuda no hubiese sido posible realizar este trabajo. A mis amigos que son parte de mi familia, con los que he compartido excelentes momentos y sin los cuales no hubiese llegado hasta aquí: Ariam, Alfredo, Brayan, Lázaro, Carlos, Cesar. A mis amigos y compañeros de aula con los cuales he vivido cinco agitados pero inolvidables años. En especial a Jorge Alberto García, Ernesto Prieto, Adrián Acuña, Frank, Laura, Patricia y Osmany. A todos los profesores que he tenido en cualquier nivel de enseñanza, porque cada uno ha contribuido en mi formación, educación y me han enseñado a crecer; en especial a Wilfredo Rivero y también al colectivo de profesores de la FIE. A mi madre en la facultad, la decana Juanita, porque me apoyó y ayudó en todo lo que estaba a su alcance al igual que el piquete de secretaria: Olga Lidia, Yodaisy y Diana. A todas aquellas personas que de una forma u otra me brindaron su apoyo para que este trabajo llegara a feliz término, así como durante los cinco años de carrera. A todos, muchas gracias.. iii.

(7) RESUMEN Las Redes Inalámbricas de Sensores (WSN) han recibido gran atención en los últimos años por grupos de investigación académicos e industriales debido a sus múltiples aplicaciones. Este tipo de redes posee características propias que las diferencia de las demás, por lo que ha sido necesario el diseño de nuevos protocolos para lograr la comunicación de forma eficiente. La interfaz de radio de los sensores es el componente que consume mayor cantidad de energía y uno de los requisitos fundamentales de este tipo de redes es disminuir este consumo todo lo posible. Debido a ello, uno de los objetivos principales de investigación en WSN han sido los protocolos MAC pues controlan el comportamiento de la interfaz de radio. En la presenta investigación se analiza el desempeño de los protocolos MAC MuChMAC y ContikiMAC, que utilizan operación multicanal y mono canal respectivamente para la comunicación. Este análisis se realiza utilizando el sistema operativo propio de este tipo de redes Contiki y el simulador COOJA. Para ellos se diseñan tres escenarios de simulación que contribuyen a comprobar el comportamiento de ambos protocolos bajo diferentes topologías, cargas de tráfico y densidad de nodos en la red. Los resultados de estas simulaciones demuestran que ContikiMAC presenta buen desempeño en redes de baja carga de tráfico y densidad de nodos, con niveles de consumo de energía menores que en el caso de MuChMAC. Sin embargo, el desempeño de MuChMAC de manera general es mejor debido a que utiliza múltiples canales, con lo que la interferencia interna y externa, así como la contención por el medio es menor cuando las características de la red son más complejas.. iv.

(8) LISTA DE ABREVIATURAS. ACK. Mensaje de confirmación de recepción de paquete. (Acknowledgment). CCA. Verificación de Estado del Canal (Clear Channel Assessment). CDMA. Acceso Múltiple por División de Código (Code División Múltiple Access). CSMA. Acceso Múltiple por Verificación de Portadora (Carrier Sense Multiple Access). FDMA. Acceso Múltiple por División de Frecuencia (Frequency Division Multiple Access). IoT. Internet de las cosas (Internet of Things). MAC. Control de Acceso al Medio (Medium Access Control). RDC. Ciclo Útil de Radio (Radio Duty Cycle). RSSI. Indicación de intensidad de señal recibida (Received Signal Strength Indication). RTS/CTS. Solicitud de envío/Aprobación de envío (Request to Send/Clear to Send). TDMA. Acceso Múltiple por División de Tiempo (Time Division Multiple Access). WBAN. Red inalámbrica de área corporal (Wireless Body Area Network). WLAN. Red inalámbrica de área personal (Wireless Local Area Networks). WPAN. Red inalámbrica de área personal (Wireless Personal Area Network). WSN. Redes de Sensores Inalámbricas (Wireless Sensor Area Network). v.

(9) TABLA DE CONTENIDO Páginas. PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i DEDICATORIA .....................................................................................................................ii AGRADECIMIENTOS .........................................................................................................iii RESUMEN ............................................................................................................................ iv LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................................................... v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS DE LA CAPA MAC EN LAS WSN. ....................... 5 1.1 Generalidades de las Redes Inalámbricas de Sensores (WSN). .................................... 5 1.1.1 Aplicaciones ........................................................................................................... 8 1.1.2 Desafíos y Requerimientos. .................................................................................... 9 1.2 Características de la capa MAC en las WSN. ............................................................. 11 1.2.1 Fuentes de consumo adicional de recursos ........................................................... 12 1.2.2 Requerimientos de los protocolos MAC en las WSN. ......................................... 14 1.2.3 Clasificación de los protocolos MAC................................................................... 15 1.2.4 Protocolos Asíncronos. ......................................................................................... 16 1.2.5 Protocolos Síncronos. ........................................................................................... 18 1.2.6 Protocolos de Tiempo Ranurado .......................................................................... 20 1.2.7 Protocolos Multicanales ....................................................................................... 21 1.3 Consideraciones finales ............................................................................................... 27 CAPÍTULO 2: PROTOCOLOS CONTIKIMAC Y MUCHMAC. ...................................... 28 2.1 ContikiMAC................................................................................................................ 28 2.1.1 Distribución de tiempos en ContikiMAC. ............................................................ 30 2.1.2 Detección de Paquetes y mecanismo Fast-Sleep.................................................. 32 2.1.3 Transmisión con Phase-Lock. (Amarre o Bloqueo de Fase) ................................ 34 2.2 MuChMAC ................................................................................................................. 35 vi.

(10) 2.2.1 Salto de frecuencia con soporte para mensajes de difusión. ................................ 35 2.2.2 Operación de Baja Potencia.................................................................................. 36 2.2.3 Sincronización. ..................................................................................................... 37 2.2.4 Optimización TDMA............................................................................................ 39 2.3 Selección del Sistema Operativo Contiki y el Simulador COOJA. ............................ 40 2.3.1 Selección del Sistema Operativo. ......................................................................... 40 2.3.2 Selección del Simulador COOJA. ........................................................................ 43 2.4 Escenarios de Simulación. .......................................................................................... 45 2.4.1 Escenario 1: Topología de la red. ......................................................................... 46 2.4.2 Escenario 2: Carga de Tráfico. ............................................................................. 47 2.4.3 Escenario 3: Densidad de Nodos. ......................................................................... 48 2.5 Consideraciones finales del capítulo. .......................................................................... 49 CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE RESULTADOS .................................................................. 50 3.1 Escenario 1: Topología de la red. ................................................................................ 50 3.2 Escenario 2: Carga de Tráfico. .................................................................................... 54 3.3 Escenario 3: Densidad de Nodos. ............................................................................... 58 3.4 Consideraciones finales del capítulo. .......................................................................... 61 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 62 Conclusiones ..................................................................................................................... 62 Recomendaciones .............................................................................................................. 64 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 65 ANEXO A. CÓDIGOS DE IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOCOLO CONTIKIMAC . 71 ANEXO B. CÓDIGOS DE IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOCOLO MUCHMAC ...... 87. vii.

(11) INTRODUCCIÓN La imperante necesidad de incorporar a la Internet todo tipo de dispositivos, no solo computadoras o teléfonos celulares, ha provocado un aumento exponencial de las tecnologías de las telecomunicaciones y ha surgido un nuevo término: Internet de las Cosas (IoT por sus siglas en inglés) [1]. Algunos autores definen la IoT como un modelo que abarca las tecnologías de comunicación donde pueden estar conectados toda clase de dispositivos ordinarios de bajo procesamiento y con un uso eficiente de energía, para tener acceso a toda la información desde cualquier lugar y en cualquier momento [2]. Múltiples aplicaciones se derivan de la IoT que influyen en campos de la medicina, agricultura, automatización industrial, transportación, etc. Las redes inalámbricas de sensores (WSN por sus siglas en inglés) son parte importante de la IoT. Estas han recibido gran atención en los últimos años por grupos de investigación académicos e industriales gracias a los grandes avances en las comunicaciones inalámbricas, micro sensores y el procesamiento de dispositivos embebidos. Las WSN están constituidas por sensores autónomos distribuidos espacialmente con el propósito de detectar o estimar de forma precisa la ocurrencia de diferentes eventos trabajando de forma colectiva para transmitir dicha información hacia un punto de recolección, comúnmente conocido como sumidero.[3] En la mayoría de los casos, esta tarea se debe realizar con un costo computacional lo más bajo posible y un consumo de energía mínimo, debido a los grandes períodos de funcionamiento autónomo requeridos. En este sentido el ahorro de energía es uno de los puntos más significativos a la hora del diseño e implementación de las WSN. Es necesario el empleo de protocolos de control de acceso al medio (MAC por sus siglas en inglés) ligeros y una técnica conocida como Ciclo Útil de Radio (RDC por sus siglas en inglés), que mantiene apagada la interfaz de radio la mayor parte del tiempo y solo la enciende para intercambiar información. De esta manera se puede conseguir buenas prestaciones en cuanto al tiempo de uso de la radio de los sensores [4].. 1.

(12) Introducción. 2. Muchos protocolos MAC han sido propuestos para las WSN y han evolucionado dependiendo de los requerimientos de las aplicaciones de las WSN. Los protocolos existentes se pueden agrupar en cuanto a los métodos de acceso al medio y sus objetivos de mejorar parámetros como la razón de transmisión exitosa, la demora, la eficiencia energética, la escalabilidad, el uso del ancho de banda, etc. [5]. Existen protocolos síncronos donde los nodos conservan referencias comunes de tiempo, no tienen que necesariamente ajustarse con un tiempo global, pero si trae consigo el intercambio de información de sincronización con el objetivo de lograr y conservar el grado necesario de sincronización a lo largo de la red, entre los que se encuentran S-MAC [1], T-MAC [2] y RMAC [3]. Por otra parte, existen protocolos asincrónicos donde cada nodo decide cual es el momento más oportuno para despertarse, con lo cual se logra un bajo RDC como el caso de ContikiMAC [6]. Recientemente se han desarrollado protocolos multicanal con los cuales se dispone de más ancho de banda, la comunicación adquiere mayor robustez contra a la interferencia externa e interna y se puede aumentar la razón de transmisión exitosa (throughput), ejemplos de estos protocolos son EM-MAC y MuChMAC [7]. Para el desarrollo de nuevos protocolos es necesario conocer los mecanismos que se emplean en cada uno, así como sus debilidades y fortalezas; por estas razones es necesario realizar análisis de desempeños de los protocolos existentes. Para esta investigación se seleccionan los protocolos ContikiMAC y MuChMAC. Esta selección se realiza en base a que estos protocolos tienen características bien diferentes pero cuyo objetivo es hacer la comunicación lo más eficiente posible. ContikiMAC es el protocolo por defecto del Sistema Operativo Contiki [4], es un protocolo asíncrono de un solo canal que presenta un bajo RDC y utiliza diferentes mecanismos para lograrlo. Por otra parte MuChMAC es un protocolo multicanal que dispone de un mayor ancho de banda para la comunicación, mejor respuesta ante las ráfagas y el aumento de la razón de datos entre los nodos, mediante el empleo de ingeniosas pero más complejas técnicas que traen consigo retos adicionales. Por lo antes expuesto, surge como problema científico para los autores de esta investigación la necesidad de analizar el desempeño de los protocolos MAC MuChMAC y ContikiMAC en redes WSN. De este problema científico se desprende que el objeto de investigación son.

(13) Introducción. 3. los protocolos MAC para WSN, siendo el campo de acción de la investigación la modelación, simulación y experimentación de protocolos MAC para WSN. Para responder a la interrogante planteada, se define como objetivo general de la investigación comparar el desempeño de los protocolos MAC para WSN MuChMAC y ContikiMAC. Para alcanzar este objetivo general, se proponen los siguientes objetivos específicos: 1. Caracterizar la capa MAC en WSN. 2. Describir protocolos MAC para WSN: MuChMAC y ContikiMAC. 3. Diseñar escenarios de simulación para comparación de desempeño de los protocolos objetos de estudio. 4. Evaluar el desempeño de los protocolos MuChMAC y ContikiMAC utilizando resultados de simulación. El cumplimiento de estos objetivos específicos están destinados a dar respuesta a las preguntas científicas siguientes: 1. ¿Cuáles son las principales funciones y características de la capa MAC en las WSN? 2. ¿Qué. características. específicas. presentan. los. protocolos. MuChMAC. y. ContikiMAC? 3. ¿Qué escenarios de simulación permiten evaluar el desempeño de los protocolos MuChMAC y ContikiMAC? 4. ¿Cuáles son las debilidades y fortalezas de los protocolos MuChMAC y ContikiMAC? Para el desarrollo de nuevos y más eficientes protocolos de la capa MAC en las redes WSN es necesario conocer las características de los ya existentes. La novedad científica radica en analizar y comparar dos protocolos MAC para WSN con operación multicanal y sin ella. El caso de ContikiMAC es un protocolo de un solo canal que fue desarrollado por los creadores de ContikiOS y ha sido ampliamente utilizado en la investigación en WSN; por otra parte MuChMAC es más reciente y se basa en la utilización de múltiples canales para aumentar la.

(14) Introducción. 4. razón de transferencia de datos. El presente trabajo puede servir para futuras investigaciones en el campo de las WSN y en el desarrollo de protocolos MAC. Para el desarrollo de la investigación se escoge el sistema operativo Contiki que es de código abierto y ha sido desarrollado para el uso de pequeños sistemas desde ordenadores de 8 bits hasta sistemas integrado sobre microcontroladores, incluyendo nodos de redes de sensores. El simulador que se utiliza es COOJA porque fue diseñado para la simulación de WSN que ejecutan el sistema operativo ContikiOS, además no se requiere de un alto poder de cómputo para su funcionamiento ni hardware de propósito específico, por lo que con una computadora de propósito general se puede utilizar. Luego de los resultados de esta investigación los diseñadores de WSN tendrán mayor claridad en cuanto al desempeño de los protocolos MuChMAC y ContikiMAC, pues se describen las fortalezas y debilidades de cada uno. Esta información servirá como base teórica para creación de nuevos protocolos MAC y el perfeccionamiento de los ya existentes. El informe está formado por la introducción, el desarrollo organizado en tres capítulos, las conclusiones, seguido de las recomendaciones relativas a investigaciones futuras, y finalmente, las referencias bibliográficas y anexos. Capítulo 1: Se realiza una descripción general de las WSN a partir de sus características y diferencias con respecto a otras redes similares. Además, se caracteriza la capa MAC de las WSN, incluyendo los principales retos en el diseño de protocolos para esta capa y soluciones encontradas por los diseñadores de los mismos. Capítulo 2: Se describen en profundidad los protocolos MAC para las WSN MuChMAC y ContikiMAC, presentando las principales características de cada uno así como los mecanismos utilizados por ambos para el acceso al medio y el uso de la técnica RDC. También se fundamenta la selección del Sistema Operativo Contiki y del simulador COOJA para medir el desempeño de los protocolos. Por último, se lleva a cabo una descripción de los escenarios de simulación diseñados para la presente investigación. Capítulo 3: Se discuten los resultados de las simulaciones de los escenarios descritos. Se llega a conclusiones relacionadas con el desempeño de los protocolos MuChMAC y ContikiMAC..

(15) CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS DE LA CAPA MAC EN LAS WSN. En el presente capítulo se describen las características fundamentales de la capa MAC en las WSN. Para esto en la sección 1.1 se caracterizan las generalidades de las WSN haciendo énfasis en los patrones de tráfico, aplicaciones, desafíos y restricciones de las mismas. Seguidamente en la sección 1.2 se sintetizan las características específicas de la capa MAC en las WSN y para ello se exponen los requerimientos que presenta esta capa, así como la evolución de los protocolos existentes. Esta evolución es analizada a partir de las diferentes clasificaciones de los protocolos MAC. Finalmente en la sección 1.3 se resumen algunas consideraciones finales del capítulo.. 1.1 Generalidades de las Redes Inalámbricas de Sensores (WSN). Los sensores han sido tradicionalmente elementos indispensables en los procesos industriales debido a la capacidad que proporcionan de monitorizar y manipular las magnitudes físicas involucradas en los diferentes procesos productivos. La conectividad entre los sensores se realizaba mediante el uso de redes cableadas tradicionales [5]. Actualmente los continuos avances tecnológicos han incentivado el desarrollo de dispositivos con capacidades de comunicación inalámbrica, dispuestos en cualquier localización, cada vez más pequeños, autónomos, más potentes y con un consumo de energía más eficiente; de ahí que surgen las Redes Inalámbricas de Sensores (WSN, por sus siglas en inglés), que están compuestas por un conjunto de cientos, incluso miles de sensores, llamados nodos, los cuales poseen capacidad de almacenamiento, procesamiento y energía limitada. Las WSN se caracterizan por estar constituidas por sensores autónomos, que están distribuidos espacialmente con el propósito de ser capaces de comunicarse entre sí de manera inalámbrica con un consumo mínimo de energía, y de entregar los datos recolectados como pueden ser valores de presión, temperatura y humedad. Una WSN no tiene necesidad alguna de infraestructura para poder operar, ya que sus nodos pueden actuar de emisores, receptores o enrutadores de la información. Sin embargo, hay que destacar en el concepto de WSN la figura del nodo sumidero (también denominado nodo recolector), que es el nodo que recolecta toda la información (ver Figura 1.1). Esta información generalmente es adquirida 5.

(16) Características de la capa MAC en las WSN. 6. por un ordenador conectado a este nodo y es sobre el ordenador que recae la tarea de procesar, almacenar o retransmitir los datos por tecnologías inalámbricas o cableadas según sea el objetivo. Dos importantes funciones de los nodos son la recolección de datos (envío de los datos sensados desde los nodos al nodo sumidero) y diseminación o difusión de datos (envío de datos/peticiones desde el nodo sumidero a los nodos sensores).. Fig. 1.1 Topología típica de una WSN. Los nodos se caracterizan además por su facilidad de despliegue y por ser auto-configurables, pudiendo convertirse en todo momento en emisor, receptor, ofrecer servicios de encaminamiento entre nodos sin comunicación directa, así como registrar datos referentes a los sensores locales de cada nodo. Otra de sus características es su gestión eficiente de la energía, que les permite obtener una alta tasa de autonomía que los hacen plenamente operativos. En una WSN, la topología es siempre cambiante y tiene que adaptarse para poder comunicar nuevos datos adquiridos. La transmisión de la información se realiza usando como medio de comunicación el medio inalámbrico compartido, que se comporta de forma muy variable y en el que existen una serie de fenómenos como pueden ser la atenuación, desvanecimientos rápidos, desvanecimientos lentos e interferencias que puede producir.

(17) Características de la capa MAC en las WSN. 7. errores en los datos. Por otro lado, en aplicaciones de sensado siempre es característico el uso de algún protocolo que permita comunicaciones multisalto y también es muy común y necesario utilizar mensajes de difusión. Un dispositivo sensor o nodo consiste en los siguientes componentes [6]: Sensor/indicador: Los tipos de sensores varían en dependencia de los requerimientos de la aplicación. Algunos de estos pueden ser para medir valores de temperatura, luz, humedad, presión, aceleración, etc. Ejemplos de indicadores pueden ser bocinas o LED. Transmisor-Receptor Inalámbrico: El transmisor-receptor es el responsable de la comunicación inalámbrica en los nodos. Los disponibles suelen tener baja razón de trasmisión, baja potencia y cortos rangos de alcance. Operan en la banda ISM (del inglés Industrial, Scientific and Medical Band) con frecuencias de 2.4 GHz normalmente o en la banda de 868-915MHz, según lo especifica el estándar IEEE 802.15.4 [7]. Los valores de razón de trasmisión datos que suelen soportar estos radios están entre 50 y 250 kbps. Algunos ejemplos comunes de radios son el Chipcon CC1000 y CC2420. Procesador: Los requisitos de cómputo y almacenamiento en una WSN dependen de la aplicación. Suelen utilizarse microcontroladores de 8 o 16 bits. Los procesadores utilizados por los nodos son necesarios para el procesamiento de los datos recolectados, para controlar las funcionalidades de otros componentes de hardware, para correr el sistema operativo y la pila de protocolos. Ejemplos clásicos de sistemas operativos utilizados son TinyOS [8], MANTIS [9] y ContikiOS [4]. Memoria: La memoria en este tipo de nodos es bastante limitada. Usualmente están disponibles algunos kBytes de RAM y algunas decenas de kBytes de flash RAM para los datos y el código. Fuente de Energía: En un nodo sensor la energía es consumida durante el sensado, el procesamiento de datos y la comunicación, siendo esta última la que provoca mayor consumo. Las baterías son la principal fuente de energía para los nodos. En muchas aplicaciones de WSN es impráctico y a veces imposible reemplazar o recargar las.

(18) Características de la capa MAC en las WSN. 8. baterías, por lo que uno de los puntos más críticos en estas redes es el ahorro de energía. 1.1.1 Aplicaciones Una de las motivaciones principales para el desarrollo de las WSN fue el uso de estas con fines militares. Estos utilizaban las redes de sensores para sistemas de vigilancia acústica en el océano para la detección de submarinos y también para medir algunas variables en los campos de batalla [10]. Dado que el costo de los nodos y el de la implementación de este tipo de redes ha disminuido considerablemente con el paso del tiempo existen varias potenciales aplicaciones para las WSN. A continuación se exponen algunas. Monitoreo del hábitat y estudios medioambientales: Las redes de sensores son utilizadas para recolectar información detallada relacionada con cambios medioambientales durante un período de tiempo en lugares de difícil acceso, como por ejemplo la temperatura, la contaminación, tendencias a incendios etc. Un ejemplo es [11], donde se monitorea el comportamiento de algunas especies de aves en un hábitat específico y otro lo es monitoreo de sustancias toxicas en áreas rurales [12]. Cuidado de Salud: Las WSN pueden ser utilizadas en instalaciones hospitalarias para rastrear y monitorear a los pacientes y todos los recursos médicos. Clases especiales de sensores que pueden medir presión sanguínea, la temperatura corporal, frecuencia cardiaca y otros signos vitales pueden ser tejidos en la ropa de los pacientes para monitorearlos desde un lugar remoto. Control de tráfico: En carreteras para la detección de accidentes o atascos, se realiza el monitoreo de flujos de tráfico. Para estacionamiento donde los sensores detectan si los espacios están o no ocupados e indican la disponibilidad existente de estacionar. Seguridad: Edificios o lugares que pudieran verse comprometidos como aeropuertos, plantas eléctricas, bases militares donde la seguridad es un factor determinante, pueden tener desplegada una WSN con el fin de detectar intrusos. Domótica: Una de las aplicaciones más atractivas para este tipo de redes es la domótica. Dispositivos heterogéneos de diferentes fabricantes podrían comunicarse entre sí, librando al usuario de tareas triviales. Las luces pueden atenuar su intensidad cuando.

(19) Características de la capa MAC en las WSN. 9. se encienda el televisor o el televisor reducir el volumen cuando suene el teléfono. Cada persona puede tener su propio perfil, al que se adapte de forma automática la temperatura, la luz, la música, la televisión o el ordenador, tanto en casa como en la oficina [5]. 1.1.2 Desafíos y Requerimientos Las WSN mantienen características similares con muchos sistemas, pero debido a sus características tienen una variedad de desafíos y requerimientos que impactan en su diseño y en las aplicaciones en las que pueden ser utilizadas [13]. Eficiencia Energética: El ahorro de energía es el mayor reto para el desarrollo de WSN dado que estas trabajan con una fuente de energía limitada. Los nodos típicamente funcionan con baterías, que deben ser reemplazadas o recargadas una vez que se hayan agotado. Para algunas aplicaciones esta opción no es muy apropiada y los nodos son descartados una vez que sus baterías estén agotadas. El tiempo requerido de autonomía de los nodos depende de la aplicación en que se utilicen, por ejemplo, si la red es para sensar eventos en un campo de batalla solo se necesita que los nodos estén disponibles por cortos períodos de tiempo, pero si se está midiendo por un grupo de científicos el desplazamiento de los glaciares los períodos de tiempos necesarios pueden ser de varios años. Ancho de Banda Limitado y Transceptores Half-Duplex: Los nodos sensores están equipados con radios que transmiten la información en anchos de bandas limitados y transmisión half-duplex. Algunos radios como el CC2420 puede transmitir a velocidades de 250kbps con un ancho de banda de 5 MHz por canal, lo cual puede ser una limitación para algunas aplicaciones que necesiten mayores razones de transmisión. La naturaleza half-duplex de los radios hace que los radios no puedan transmitir y recibir al mismo tiempo y no pueden recibir de más de un emisor simultáneamente disminuyendo considerablemente la capacidad de la red. Interferencia: El medio inalámbrico utilizado por las WSN es compartido por los nodos de la red. Cuando simultáneamente existen transmisiones en un mismo canal y una misma región de cobertura la interferencia puede causar que existan colisiones y se deteriore el rendimiento de la red. Existen diferentes métodos de acceso múltiple (acceso al.

(20) Características de la capa MAC en las WSN. 10. medio MAC) diseñados para coordinar las comunicaciones y aliviar el conflicto. Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA, por sus siglas en inglés), Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA, por sus siglas en inglés), Acceso Múltiple por División de Código (CDMA, por sus siglas en inglés), y Acceso Múltiple por Detección de Portadora (CSMA, por sus siglas en inglés) son algunos de los principales métodos. Auto gestión: Es muy común que las redes de sensores operen en regiones apartadas y en medios complejos sin soporte de infraestructura ni posibilidad de mantenimiento o reparación. Por consiguiente los nodos deben ser capaces de auto-gestionarse, colaborar entre ellos, adaptarse a los cambios que pueden existir en la red y en el medio ambiente, sin la intervención de las personas. Para que esto sea posible los nodos pueden intercambiar diferentes tipos de información y parámetros que contribuyen a la auto-gestión, como la distribución de sus vecinos, los saltos necesarios para alcanzar al nodo sumidero, estado de la batería, el tiempo de reloj para la sincronización, etc. Además, la gestión para que se realice de forma óptima debe ser descentralizada, cada nodo debe colaborar con sus vecinos sin que sea de conocimiento para la totalidad de la red. Restricciones de Diseño: Mientras que las capacidades de los sistemas tradicionales de cómputo siguen incrementándose, el principal objetivo de diseño en las WSN es crear un dispositivo pequeño, barato y eficiente. Con esa idea en mente las aplicaciones desarrolladas deben funcionar con pequeños consumos de energía y por esto los nodos tienen capacidades de almacenamiento y procesamiento similares a sistemas de computación de hace décadas. A pesar que los avances tecnológicos en la construcción de hardware permiten el diseño de dispositivos más pequeños y potentes, es necesario crear protocolos y algoritmos que colaboren en el funcionamiento eficiente de los nodos dentro de la red. Cobertura de la señal: La atenuación de la señal en los sistemas enlazados mediante señales de radio frecuencia (RF) es un factor a tener en cuenta en sistemas donde la potencia de la señal emitida suele ser débil. En consecuencia, un incremento de la distancia entre los nodos y el nodo sumidero trae como consecuencia que la potencia de.

(21) Características de la capa MAC en las WSN. 11. transmisión requerida aumente también. Es más eficiente energéticamente achicar las distancias, aunque para esto sea necesario aumentar el número de nodos y con ello la cantidad de saltos hasta el nodo principal. Como se puede apreciar el diseño e implementación de las WSN difiere del de otros tipos de sistemas y redes. La Tabla 1.1 resume de manera general algunas diferencias claves entre las redes clásicas como las Redes Inalámbricas de Área Local (WLAN, por sus siglas en inglés) y las WSN. Es fundamental tener en cuenta que los requerimientos de las redes dependen de la aplicación para la cual se utilicen, por ejemplo, una baja latencia es necesaria en redes que basan su funcionamiento en la ocurrencia de eventos y una alta razón de transmisión para aplicaciones de que necesiten enviar imágenes o video. Tabla 1.1: Comparación entre las Redes Tradicionales y las WSN. Redes Tradicionales. Redes Inalámbricas de Sensores. Los diseños de propósito general pueden ser Los diseños se realizan para que sean utilizados utilizados por múltiples aplicaciones.. para una aplicación determinada.. Las preocupaciones y objetivos principales son El ahorro de la energía es la uno de los el throughput y la latencia, no el consumo de principales objetivos en el diseño de los energía.. dispositivos de la red y de la red en general.. Los dispositivos y la red operan en ambientes Las redes de sensores operan en ambientes con controlados. condiciones adversas.. Los mantenimientos y la reparación son tareas El acceso directo a la red es en ocasiones muy comunes y las redes suelen ser de fácil acceso.. difícil o casi imposible.. Los fallos en la red pueden ser manejados La solución de los fallos debe ser contemplado mediante la reparación o el mantenimiento.. en el diseño y realizados por la red.. Obtener las variables de la red de manera Las decisiones son tomadas sin llevar a cabo una general es posible mediante una gestión gestión centralizada. centralizada.. 1.2 Características de la capa MAC en las WSN. En la mayoría de las redes inalámbricas, múltiples nodos comparten el medio de comunicación para transmitir los paquetes. El protocolo MAC, (referido a la subcapa de la.

(22) Características de la capa MAC en las WSN. 12. capa de enlace de datos del modelo de referencia OSI) es el responsable principal de regular el control de acceso al medio común y resolver cualquier conflicto entre los nodos. La mayoría de las WSN y sus aplicaciones utilizan para sus transmisiones la banda sin necesidad licencia ISM, en la cual las comunicaciones resultan significativamente afectadas por ruido e interferencia, por lo que con una buena elección del protocolo MAC se logra fiabilidad y eficiencia en las transmisiones. El consumo eficiente de energía es uno de los principales objetivos en estas redes y se tiene en cuenta también para el diseño de los protocolos MAC. La energía no es solo consumida por la transmisión y recepción de datos, también se consume a causa del sensado del medio en busca de actividad, escucha inactiva o idle listening, por la retransmisión a causa de colisiones, cuando los paquetes contiene encabezado a causa del intercambio de información de control y cuando las transmisiones tienen que ser con mayor potencia para poder alcanzar el receptor [13]. El componente que más consume energía en el nodo es el radio y su funcionamiento es controlado por el protocolo MAC. Para salvar energía se utiliza una técnica ampliamente adoptada por las WSN denominada Ciclo Útil de Radio (RDC, por sus siglas en inglés). En esta técnica el nodo alterna entre los estados de activo/inactivo (active/sleep). En la medida que el nodo se mantenga más tiempo apagado más eficiente será el protocolo en términos de energía. Las características específicas de las WSN y la aplicación para la cual se utilicen determinan los requerimientos del protocolo MAC. Es impráctico usar en una WSN un protocolo MAC con características que no se ajusten a la red que se quiere implementar. Un uso eficiente de estos protocolos incrementa el tiempo de vida del nodo así como la razón de transmisión efectiva porque puede disminuir el número de colisiones en las comunicaciones. 1.2.1 Fuentes de consumo adicional de recursos Para demostrar las posibles causas de consumo adicional de recursos introducidas por el protocolo MAC en WSN se sigue el análisis realizado por la infestación propuesta en [14]. A partir de este análisis, se pueden describir las siguientes causas de consumo adicional de recursos: Escucha inactiva: En la mayoría de las aplicaciones de WSN se necesita solamente una fracción del ancho de banda disponible. Sin embargo, un protocolo MAC no puede.

(23) Características de la capa MAC en las WSN. 13. determinar cuándo se enviará un mensaje a menos que tenga disponible alguna información adicional. Por tanto, el radio debe permanecer encendido todo el tiempo para evitar que se pierdan mensajes dirigidos al nodo. Esta escucha inactiva es la mayor causa de desperdicio de energía puesto que los radios consumen más energía cuando están recibiendo que cuando están en modo inactivo. La solución para este problema ha sido utilizar RDC y concentrar las comunicaciones en los períodos activos de los nodos, lo cual es difícil de lograr de manera eficiente. Sobre-escucha: Otra consecuencia de permanecer todo el tiempo escuchando el canal en espera de tráfico es que en repetidas ocasiones un nodo recibiría mensajes que no están destinados a éste sino a alguno de sus vecinos. La recepción de estos mensajes es un desperdicio de energía y el problema se agrava a medida que aumenta la densidad de la red. Colisiones: Aunque los nodos empleen períodos de retiro aleatorios dentro de la ventana de contención por el canal, todavía pueden ocurrir colisiones debido al tiempo transcurrido entre la verificación del estado del canal y la transferencia de datos. Además, el empleo de mensajes RTS/CTS es prohibitivo para las WSN donde la carga de los paquetes está en el orden de las decenas de bytes y, por tanto, no amortizan la inversión de transmitir los mensajes RTS/CTS. Este problema también se agrava a medida que crece la densidad de nodos en la red pues aumentan los niveles de contención por el acceso al medio. La solución empleada usualmente para las colisiones es la retransmisión del mensaje, pero esta técnica tiende a aumentar el número de colisiones cuando el tráfico adicional comienza a provocar más colisiones. Fluctuaciones de tráfico: En las redes WSN el tráfico fluctúa no solo en función del tiempo sino, además en función de la posición que ocupan los nodos en la red puesto que los nodos más cercanos al sumidero usualmente tienen que manejar volúmenes de tráfico mayores que aquellos que se encuentren en los bordes de la red. Ambas formas de fluctuación en el tráfico introducen un problema difícil de solucionar a nivel MAC pues pueden provocar congestión en la red cuando la carga de tráfico es alta, o desperdicio de recursos durante los momentos en que la carga de tráfico es baja. En.

(24) Características de la capa MAC en las WSN. 14. cualquiera de estos casos, el consumo de energía aumenta a niveles insostenibles para la red. Control del protocolo: las cabeceras MAC y los mensajes de control necesarios para la operación del protocolo se consideran consumo adicional de recursos puesto que no contienen información de la aplicación para la que está destinada la red. Este problema es mucho más grave en las WSN, donde la carga útil de los paquetes es pequeña y el consumo por cabeceras de protocolo y mensajes de control se hace difícil de amortizar. Por esta razón, los protocolos MAC para WSN deben reducir en todo lo posible el intercambio de información de control entre nodos. 1.2.2 Requerimientos de los protocolos MAC en las WSN Los requerimientos principales de los protocolos MAC de las tradicionales redes inalámbricas pueden ser la baja demora y la alta razón de transmisión. El tiempo de vida de los dispositivos no es considerado un factor crítico dadas las facilidades que presentan sus fuentes de energía. En contraste con esto, para las WSN, un diseño con uso eficiente de energía es una de las mayores prioridades de los creadores de estas redes. El diseño también debe ser escalable para soportar el crecimiento de la red, brindar bajas demoras y la mayor razón de transmisión posible. En algunos casos el objetivo principal de los desarrolladores puede ser implementar protocolos con demoras de extremo a extremo mínimas y en otros la meta es alcanzar altos tazas de transmisión, pero siempre teniendo en cuenta el consumo eficiente de energía. Los principales requerimientos de los protocolo MAC para WSN son resumidos a continuación [15, 16]. Eficiencia Energética: El requerimiento más importante del protocolo MAC es consumo eficiente de la energía disponible. El protocolo debe encargarse de mantener inactivo el nodo el mayor tiempo posible. Demora y Razón de Transmisión: Esto parámetros dependen fundamentalmente de la aplicación en la cual se utilice el protocolo. Existe una fuerte relación de compromiso entre el consumo de energía, la demora y la razón de transmisión. Un importante objetivo en el diseño del protocolo MAC es aumentar la razón de transmisión.

(25) Características de la capa MAC en las WSN. 15. mientras se minimiza la demora, pero siempre teniendo en cuenta un consumo eficiente de energía. Escalabilidad: La escalabilidad es una propiedad deseable de un sistema, una red o un proceso, que indica su habilidad para reaccionar y adaptarse sin perder calidad, para manejar el crecimiento continuo de trabajo de manera fluida, o bien para estar preparado para hacerse más grande sin perder calidad en los servicios ofrecidos. En las WSN el número de sensores puede ser bien grande y además los nodos pueden ser agregados, eliminados o movidos a diferentes localizaciones y el protocolo que se implemente debe responder ante estas variaciones en la red. Estabilidad: La estabilidad de los protocolos MAC es estudiada respecto a la demora o a la razón de transmisión exitosa (throughput). Es considerado estable respecto a la demora si esta no sobrepasa un límite determinado. Para que esto sea posible los sistemas deben tener una cantidad límite de mensajes que pueden ser almacenados en una cola. Con respecto al throughput, un protocolo se considera estable si este no colapsa ante diferentes cargas de tráfico, el protocolo debe contemplar las posibles ocurrencias de ráfagas que aumentan el tráfico de la red. 1.2.3 Clasificación de los protocolos MAC Para el desarrollo de nuevos protocolos es necesario indagar en estudios previos que se han llevado a cabo sobre los protocolos MAC para ser capaces de poder seleccionar el que mejor desempeño presente. Existen muchos trabajos de investigación para el diseño e implementación de estos protocolos. Algunos autores en [17] y [18] dividen los protocolos MAC en dos categorías principales: Protocolos basados en Esquemas y Protocolos basados en la Contención. Protocolos basados en Esquemas: son básicamente protocolos TDMA. En un protocolo TDMA un nodo principal distribuye los esquemas de transmisión entre los otros nodos de la red durante el período inicial. Se requiere una estricta sincronización para coordinar las ranuras de tiempo en que los nodos pueden transmitir. Además tienen problemas de escalabilidad, no soportan gran cantidad de nodos porque la latencia puede aumentar significativamente con el número de nodos y una vez que el esquema.

(26) Características de la capa MAC en las WSN. 16. de transmisión es distribuido se vuelve complejo agregar algún nodo. Ejemplos de estos protocolos son: LEACH [19], SMACS [20] y TRAMA [21]. Protocolos basados en la Contención: son básicamente protocolos que realizan CSMA. En este tipo de protocolos los nodos son capaces de sensar el medio de comunicación y aplazar su transmisión mientras el canal está ocupado. Los protocolos CSMA pueden fácilmente acomodar nuevos nodos en la red ya que esta no está amarrada a un esquema fijo de transmisión y, como no es necesario una estricta sincronización, la red puede soportar gran cantidad de nodos. Algunos ejemplos son: SMAC [15], TMAC [22] y DMAC [23]. En algunos estudios más recientes como por ejemplo [14], los protocolos MAC son divididos en tres categorías: Acceso Aleatorio, Acceso Ranurado y Acceso Basado en Tramas. Estas categorías están basadas también en similitudes y diferencias en cuanto los métodos de acceso al medio. En los inicios del desarrollo de las WSN, la eficiencia en la entrega de los datos no era la primera prioridad. Los diseñadores sacrificaban la demora y la razón de transmisión efectiva por la eficiencia en el consumo de energía. Sin embargo, en la actualidad muchas aplicaciones necesitan que las redes soporten multitarea y que la entrega de los datos se realice de forma eficiente mejorando todos los parámetros posibles a la vez, tanto el ahorro de energía, como la demora y el throughput. En las secciones siguientes de este capítulo se clasifican y exponen las características de los protocolos MAC según el estudio realizado en [24]. En este análisis se incluyen ejemplos de protocolos que son analizados desde ambas perspectivas, la eficiencia energética y el desempeño en la trasmisión de datos. Para ello se dividen los protocolos MAC en cuatro ramas principales: Asíncronos, Síncronos, Tiempo Ranurado y Multicanal. 1.2.4 Protocolos Asíncronos Un protocolo MAC se considera asíncronos cuando cada nodo escoge su propia planificación en cuanto a los esquemas de activación/desactivación de forma autónoma y pueden alcanzar bajos ciclos útiles de radio, pero tienen que implementarse eficientes mecanismos para lograrlo..

(27) Características de la capa MAC en las WSN. 17. Para minimizar el tiempo en el que los nodos receptores se encuentran activos se realiza comúnmente en estos tipos de protocolos un muestreo de preámbulos. Con este método los nodos se despiertan periódicamente por un pequeño período de tiempo para sensar el canal. Si el canal no se está usando, o sea, que no se percibe una transmisión, el nodo vuelve a dormir rápidamente. Si ocurre lo contrario y se detecta actividad en el canal el nodo se mantiene escuchando para si en caso de que es el destino, reciba el paquete. Una desventaja de este método es que si el nodo no es el destino el tiempo que dedique a leer todo el preámbulo es energía que pierde innecesariamente. Es común encontrarse con protocolos que implementan CSMA con muestreo de preámbulo. Para ello un transmisor realiza una Verificación de Estado del Canal (CCA, por sus siglas en inglés) antes de transmitir un preámbulo para evitar colisiones y los receptores también para detectar un posible preámbulo. El propósito de realizar estos chequeos es comparar la energía existente en el canal y compararlo con un límite establecido. El canal es considerado despejado si la medición de la energía está por debajo del límite. Este método puede generar falsos resultados debido a la posible existencia de ruido. Algunos protocolos dividen los largos preámbulos en una serie continua de pequeños paquetes que contengan información útil como la dirección de destino para que los nodos a los cuales no está destinado la trasmisión pueden desactivarse rápidamente. Si además, la información que indica el instante en el cual se va a iniciar la transmisión de los datos es incluida, los nodos se desactivan al momento de descifrar esta información para despertarse al momento de recibir los datos. Algunos protocolos como MFP [25], B-MAC+ [26], SpeckMAC [27], y SyncWUF [28] comparten un esquema parecido al explicado y se denomina Muestreo de Preámbulo Continuo ya que los paquetes son enviado repetidamente durante un período de tiempo y luego los datos. Con este modelo el medio es ocupado durante un tiempo considerable y la capacidad del canal disminuye. En el caso de las trasmisiones unicast es provechoso que el envío de los preámbulos termine una vez que el receptor haya despertado. Para lograrlo se añade al método anterior la idea de introducir un espacio de tiempo entre dos paquetes para permitir que los nodos destinos respondan con un mensaje de reconocimiento ACK y los transmisores comiencen a enviar los datos. Este esquema se denomina Muestreo de Preámbulo Discontinuo y algunos.

(28) Características de la capa MAC en las WSN. 18. protocolos que lo utilizan son CSMA-MPS [29], TICER [30], X-MAC [31], MHMAC [32], DPS-MAC [33], y CMAC [34]. Para evitar que el canal esté ocupado por el envío constante o semiconstante de paquetes de preámbulo tal como ocurre en los ejemplos anteriores, algunos protocolos dejan que el emisor reciba un mensaje de aviso (“beacon”) desde el receptor al cual le quiere transmitir, para comenzar a hacerlo. Esto es posible dado que un nodo se mantiene despierto cuando tiene información que trasmitir y puede escuchar fácilmente el aviso. Con este diseño el canal queda libre para su uso todo el tiempo hasta que el receptor esté listo para recibir, consiguiendo un mejor aprovechamiento del canal. Esta idea de cambiar la comunicación iniciada por el emisor a una Iniciada por el Receptor es presentada en algunos protocolos como AS-MAC [35], RI-MAC [36], y A-MAC [37]. Aunque en el modelo de Transmisión Iniciada por el Receptor la utilización del canal se incrementa, el emisor tiene que permanecer con su radio activa todo el tiempo hasta que envía sus datos, siempre luego de haber recibido el aviso del receptor. Esto energéticamente no es eficiente. PW-MAC [38] introduce un método para predecir el momento en el cual por lo que el emisor tendrá que activarse solo instantes antes. Para que lo anterior sea posible este protocolo permite que los nodos generen esquemas de activación pseudo-aleatorios. Como una función pseudo-aleatoria genera las mismas secuencias de números pseudo-aleatorios para un mismo parámetro, el protocolo utiliza los mensajes de avisos para enviarles a sus vecinos esta información y que ellos puedan calcular los instantes de activación. Se debe tener en cuenta que para redes grandes calcular los esquemas de activación de los vecinos puede tornarse complejo para sistemas que como ya se conoce, carecen de poder de procesamiento y su consumo de energía debe ser eficiente. Los protocolos asíncronos tienen como ventaja que el tiempo de verificación del canal es corto y por tanto se puede realizar con mayor frecuencia, permitiendo alcanzar bajos RDC. Sus desventajas fundamentales son alta latencia dentro de la red y baja utilización del ancho de banda. 1.2.5 Protocolos Síncronos Al diseñar una red WSN sería una solución natural y razonable sincronizar el tiempo de activación de los nodos vecinos para llevar a cabo la comunicación entre dos nodos. Esta.

(29) Características de la capa MAC en las WSN. 19. solución trae como consecuencia adicional encabezado en los paquetes para lograr la sincronización. En los protocolos MAC síncronos, un nodo escucha el canal por un tiempo determinado. Si el nodo no escucha o recibe ningún esquema de planificación para la activación/desactivación desde algún otro nodo, el mismo determina su propia planificación y la transmite en mensajes de difusión convirtiéndose él en el nodo sincronizador. En el caso de que reciba una planificación desde otro sin haber establecido la suya propia, se aferra a esa y pasa a ser un nodo seguidor. Como los nodos van formando agrupaciones de vecinos o cluster, todos los que se encuentren en un mismo cluster seguirán la misma planificación. Aunque puede que las diferencias entre los protocolos asíncronos y síncronos se tornar difusas dado que en los primeros los nodos pueden aprender los esquemas de planificación de otros, una diferencia fundamental es que en caso de los asíncronos los nodos emisores se despiertan justo un momento antes que el receptor y en los síncronos todos los nodos de un mismo grupo deben despertarse en el mismo momento y disputarse el acceso al canal. La mayoría de los diseños de protocolos síncronos se centran en mejorar el throughput ya que no presentan problemas para establecer la comunicación. Estos son más apropiados para aplicaciones con tráfico periódico donde los esquemas de activación son fácil de determinar. Algunas de los protocolos existentes se exponen a continuación. Un protocolo sincrónico MAC clásico es S-MAC [15] donde los nodos están organizados en grupos con un tiempo local de sincronización. Cada grupo tiene un esquema independiente de sincronización que consta de tres períodos SYNC, DATA y SLEEP. Cada nodo se activa al inicio del período de SYNC para sincronizar sus relojes con los demás. Los nodos que tengan paquetes que enviar compiten por el acceso al canal a través de mensajes de Solicitud de Envío (RTS, por sus siglas en inglés) y Despejado para el Envío (CTS, por sus siglas en inglés) en el período de DATA. Aquellos que no participen en una comunicación se desactivan al comienzo del período SLEEP. En este protocolo un paquete puede realizar un solo salto por cada período de sincronización. Por este motivo luego se introduce otra versión de S-MAC [16] para que los paquetes puedan avanzar dos saltos en cada período introduciendo un mecanismo de escucha adaptable..

(30) Características de la capa MAC en las WSN. 20. Por otra parte, T-MAC [22] es un protocolo que aparece luego y mantiene ideas comunes con S-MAC pero resuelve los problemas del excesivo gasto de energía que presenta este último introduciendo un período de activación adaptable. Cada nodo activa su radio en el inicio del período activo y tiene la posibilidad de desactivarse si no recibe ningún evento de activación durante un período determinado como puede ser la recepción de un mensaje. El protocolo DMAC [39] fue pensado para aplicaciones donde los datos son entregados desde muchos nodos al nodo sumidero de forma escalonada, es decir, los paquetes necesitan realizar múltiples saltos hasta el nodo sumidero. Para ello los esquemas de activación/desactivación de los nodos son escalonados de forma que los paquetes puedan avanzar continuamente hasta el nodo sumidero. Dado que los nodos en el mismo nivel de jerarquía presentan los mismos esquemas de activación, deben competir por lograr la transmisión y el que fracase pierde su chance en ese período. Para que los nodos que no lo logran, el protocolo implementa un mecanismo para notificar la necesidad de lleva a cabo otra transmisión. En este protocolo la demora se incrementa con la carga de tráfico porque los nodos en una misma ruta deben activarse y desactivarse repetidamente debido a la congestión. Otros protocolos MAC síncronos han sido implementados por los desarrolladores de las WSN, como por ejemplo: DW-MAC [40], R-MAC [41], Q-MAC [42] y SPC-MAC [43]. 1.2.6 Protocolos de Tiempo Ranurado Los esquemas de tiempo ranurado son derivados de TDMA. La ventaja de TDMA es que la razón de transmisión exitosa es relativamente alta porque se maximiza la utilización del canal cuando la competencia por el acceso a este es grande. TDMA puede ser utilizado por los protocolos síncronos en cada uno de los cluster de forma independiente, pero si los períodos de activación de dos grupos se superponen no se garantiza una transmisión libre de colisiones. TDMA es normalmente definido con un tiempo de sincronización global. Los protocolos MAC de tiempo ranurado son muy populares en redes de pequeña escala como en un caso especial de las WSN, la red inalámbrica de área corporal (WBAN, por sus siglas en inglés) que consiste en un grupo sensores conectados en el cuerpo de una persona. Las WBAN tienen estructuras de red invariables y los sensores tienen funciones constantes por lo que la sincronización puede ser llevada a cabo mediante una estructura de red.

(31) Características de la capa MAC en las WSN. 21. jerárquica donde los nodos principales que posean mayor potencia actúan como coordinadores [44]. Uno de los mayores inconvenientes de TDMA, debido a que solo se puede transmitir en las ranuras de tiempo que han sido asignadas, es su baja utilización del canal cuando pocos de los nodos de la red tienen información que enviar. Para mejorar la utilización del canal el protocolo Z-MAC [45] propone una solución incorporando CSMA dentro a TDMA. Este protocolo al comienzo de su ejecución se asegura que a dos nodos que se encuentren en una misma vecindad que comprenda dos saltos no se les asigne la misma ranura de tiempo. Para utilizar CSMA con TDMA, a un nodo se le permite competir por el canal en el caso de que una ranura de tiempo no esté siendo usada por su propietario dado que ellos tienen prioridad. Otra manera de combinar el uso de CSMA con TDMA es adoptada por el protocolo Crankshaft [46]. En este protocolo se especifica la ranura de tiempo en la cual un nodo receptor debe activarse para chequear tráfico entrante, dándole el dominio de la comunicación al receptor. La ventaja que trae consigo es que el nodo solamente necesita despertarse en su propia ranura de tiempo, pero ya que la asignación de ranuras se les realiza a los receptores pueden existir colisiones cuando varios nodos emisores quieran trasmitir hacia un mismo objetivo. Este protocolo incluye una optimización para reducir el embotellamiento alrededor del nodo sumidero, forzando a este a escuchar en todas las ranuras de tiempo. P-MAC [47], utiliza una asignación más elaborada de las ranuras de tiempo teniendo en cuenta la carga de tráfico y se incluye una sección al final de cada estructura de tiempo para que los nodos anuncien los esquemas de activación que presentarán en la próxima trama mediante mensajes de difusión. Otros protocolos MAC donde a los nodos se asignan ranuras de tiempo para la trasmisión y comparten ideas similares con los que se explican anteriormente son: TRAMA, AI-LMAC [48] y TDMA-ASAP [49]. 1.2.7 Protocolos Multicanales Las WSN que son implementadas con protocolos MAC que utilizan un solo canal, como es el caso de los mencionados en los apartados anteriores, son muy afectadas por las colisiones.

(32) Características de la capa MAC en las WSN. 22. y por la competencia por el medio dado que es compartido por todos los nodos de la red. Además, la razón de transmisión efectiva y la capacidad de la red se ven afectadas por la misma causa. Por estas razones la comunicación a través de más de un canal o múltiples canales puede ser una solución atractiva en estas redes. Muchos investigadores han propuesto protocolos que explotan la operación multicanal en diferentes redes para mejorar su capacidad, como por ejemplo en las IEEE 802.11 o las redes celulares. Sin embargo, como es conocido estas redes no comparten las mismas limitaciones que las WSN por lo que se deben implementar protocolos MAC que se adapten a los requerimientos. La mayoría de las plataformas para la comunicación en las WSN están equipadas con hardware capaz de cambiar de canal, por lo que no se está forzado a usar solamente uno. Usando protocolos MAC multicanales, diferentes dispositivos pueden transmitir de forma paralela en distintos canales. El paralelismo incrementa la razón de transferencia exitosa de los datos, puede potencialmente disminuir la demora, siempre y cuando el tiempo de acceso al canal no sea excesivo, y puede proveer robustez en contra de interferencias internas y externas. Las interferencias internas ocurren a causa de las colisiones entre las transmisiones y son una de las causas del deterioro del desempeño de la red. Por otro lado, la interferencia externa viene dada por la posibilidad de que existan otros tipos de dispositivos dentro del rango de acción de los nodos que utilicen la misma frecuencia. Esto es muy común porque como se conoce las WSN operan en las bandas ISM al igual que la tecnología Bluetooth, las redes 802.11 WLAN, hornos microwave, etc. Lógicamente, al incrementar el número de canales que pueden ser utilizados por los nodos se reduce la probabilidad de que exista interferencia. Según [50] los protocolos multicanales pueden ser clasificados de acuerdo a las estrategias que utilizan para la asignación de los canales que emplean en: Fijo, Semi-Dinámico y Dinámico. Asignación Fija: Las frecuencias de operación no se varían durante la comunicación, aunque la asignación de canales puede ser renovada, por ejemplo, debido a circunstancias cambiantes de la interferencia. La idea básica de este método es asignar a un mismo.

(33) Características de la capa MAC en las WSN. 23. grupo de nodos un canal el cual debe ser diferente al asignado a otro grupo. Esto ayuda a que la interferencia entre grupos disminuya, pero no así dentro del grupo. Con este método no se pueden transmitir mensajes de difusión, afectando a muchos protocolos de enrutamiento y aplicaciones que normalmente lo necesitan. Asignación Semi-Dinámica: Los canales son asignados a los nodos para un uso constante, sin embargo, es posible cambiar el canal para la comunicación con otros nodos a los cuales se les haya asignado frecuencias diferentes. La asignación semi-dinámica del canal necesita una coordinación para la conmutación de canal entre el emisor y el receptor para estar en el mismo canal al mismo tiempo. Asignación Dinámica: Los nodos pueden cambiar sus interfaces de un canal a otro durante transmisiones sucesivas. El método de asignación Dinámica es seguidamente clasificado de acuerdo a los métodos de coordinación que utilizan en: Canal Dedicado para el Control, Fase Dividida y Salto de Frecuencia. En los protocolos con un Canal Dedicado para el Control, los nodos son sincronizados intercambiando paquetes de control en un canal dedicado y en el mismo negocian el canal que será usado para la trasmisión de datos. Con la técnica de Fase Dividida, los nodos acceden al medio en dos fases: una fase de control y una fase de transmisión de datos. Durante la fase de control, todos los nodos cambian a un canal común de control y negocian con sus receptores los canales que serán usados para la trasmisión de datos. Usualmente, durante la fase de control, el acceso al medio está basado en la disputa. Con Salto de Frecuencia, los nodos conmutan entre los diferentes canales. Existen dos variantes. Una posibilidad es donde todos los nodos escuchan en un mismo canal, pero saltan entre todos los canales disponibles y los datos puede ser intercambiados en cualquiera de ellos luego de haber llegado a un acuerdo en el canal común. La otra variante es donde los nodos cambiarán frecuentemente su canal de acuerdo a su secuencia individual, pero los nodos deben saber el esquema de salto de sus vecinos para en caso de querer transmitir poder cambiar a la frecuencia del receptor y una vez concluida la trasmisión seguir con su secuencia normalmente..

(34) Características de la capa MAC en las WSN. 24. Con la comunicación multicanal es conocido que se puede aumentar la razón de transmisión de datos por el hecho de que exista una trasmisión de forma paralela. Pero para lograr una satisfactoria comunicación, ambos nodos deben estar conectados en un mismo canal a la misma vez. Es complicado diseñar un eficiente protocolo multicanal MAC dado que se deben tener en cuenta los retos que contraen los protocolos tradicionales que utilizan un solo canal con otros que se discuten a continuación relacionados propiamente a los problemas de los multicanales [51]. Terminal Oculto: Este problema ocurre cuando un nodo C (ver Figura 1.2) por ejemplo, está ocupado transmitiendo o recibiendo en un determinado canal de datos y luego un nodo A inicia la reservación de un canal para comenzar el intercambio con B. Dado que el nodo C está inmerso en una comunicación en un canal diferente, es incapaz de darse cuenta cual fue el canal que escogió su vecino y puede escoger el mismo inadvertidamente cuando comience su próximo intercambio de datos, generando interferencia y colisiones. Por lo tanto, algunos protocolos asignan frecuencias físicas disponibles diferentes para nodos se encuentren a dos saltos de comunicación. Receptor Perdido o Ausente: Cuando un transmisor quiere enviar un paquete a un receptor y el radio de ese receptor esta sintonizado en una frecuencia diferente, ocurre el problema del receptor perdido. En el problema del receptor perdido como se observa en la Figura 1.3, un nodo A intenta comunicarse con un nodo B enviando un paquete RTS, mientras que B está ocupado en una trasferencia de datos en un canal diferente.. Figura: 1.2 Problema del Terminal Oculto. Ausente.. Figura: 1.3 Problema del Receptor Perdido o.

(35) Características de la capa MAC en las WSN. 25. Soporte para Difusión: El problema del Receptor Perdido trae consigo otro y es conocido como Soporte para Difusión. En un ambiente de simple canal, los paquetes de difusión pueden ser escuchados fácilmente por todos los nodos. Cuando se utiliza una con comunicación con múltiples canales para la recepción puede ocurrir que algunos nodos no reciban los mensajes de difusión. La difusión en las WSN es importante sobre todo para el proceso de descubrimiento de las rutas en la red. Demora en la Conmutación de Canales: La radio de los nodos no puede conmutar los canales inmediatamente, esto se toma un tiempo, entre los 200-300 us en el CC2420. Durante ese tiempo no se puede trasmitir ni recibir, por tanto, una conmutación de canal muy frecuente puede causar un incremento en la demora, una reducción en la razón de transmisión efectiva y pérdida de energía. Interferencia entre diferentes canales: La interferencia de canales adyacentes tiene un gran impacto en la recepción de los radios y puede causar inesperadas colisiones que traen consigo la pérdida de paquetes, por lo que no puede ser tema no debe descuidado. El estándar IEEE 802.15.4 muestra que un canal de IEEE 802.11 puede interferir con cuatro canales en las WSN, por lo tanto, los protocolos multicanales deben ser capaces de trabajar bien con un pequeño número de canales disponibles. Sincronización: Tanto en las comunicaciones de simple canal y como en las de múltiples canales, la sincronización es un reto bien grande. Si la asignación de los canales es llevada a cabo de forma dinámica y no con un canal fijo, una detallada coordinación para la conmutación de canales es requerida entre los emisores y receptores en pos de que se encuentren en el mismo canal al mismo tiempo cuando se va a efectuar una comunicación. En la Tabla 1.2 que se presenta a continuación se expone un resumen de algunos de los protocolos MAC multicanales más conocidos que han sido propuestos para las WSN..

(36) Características de la capa MAC en las WSN. 26. Tabla 1.2 Comparación de protocolos MAC multicanales.. Basado en esquema. Objetivo. Simple. Acceso al medio. Numero de. Dinámica. Emisor. transceptores. Semi. Canal para la. Distribuida. Dinámica. transferencia de. No. Semi. datos. Plana. Método de. [53]. asignación de. MMSN. especifica. Distribuida. Canal. [52]. No. Implementación. Árbol. Soporte de. LMAC. Movilidad. Topología. Nombre MC-. Mejorar. el. Throughput Mejorar. Receptor. Simple. Híbrido. la. transmisión paralela Fiabilidad en la. Rainbow [54]. Árbol. No. Distribuida. Dinámica. Receptor. Simple. Basado en esquema. recolección de datos y evadir. la. interferencia. CMAC. Grupos. [55]. (clustered). No. Distribuida. Semi Dinámica. Basado en Emisor. 2 Radios. contención Múltiples. TMCP [56]. Árbol. No. Centralizada. Fija. Emisor-. en el. Receptor. nodo sumidero. Y-MAC [57]. Árbol. No especifica. Basado en la Contención. Distribuida. Dinámica. Receptor. Simple. Híbrido. No. el. consumo de energía Eficiente recolección de datos de. Tráfico con Ráfagas. Múltiples Grupos. en. Manejo. COMMAC. la. Reducción. Centralizada. Dinámica. [58]. Cabeza de. en la. Basado en. Grupo. cabeza de. esquema. grupo. Maximizar el Throughput Mejorar. Hy-MAC [59]. Árbol. No. Centralizada. Semi Dinámica. Emisor. Simple. Basado en. Throughput. esquema. y la demora end-to-end. MCMAC [60]. Grupos. No. Centralizada. Dinámica. Un Canal Determinado. Simple. el. Basado en. Eficiencia. esquema. Energética.