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UNIVERSIDAD DE SEVILLA

ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIERIA

M ASTER EN AUTOM ATICA, ROBOTICA Y TELEM ATICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA DE SISTEMAS Y AUTOM ATICA

TRABAJO FINAL DE M ASTER

DISENO DE UN METODO DE ENRUTAMIENTO ACTIVO PARAREDES INAL AMBRICAS DE SENSORES (WSN)

AUTOR: CAROLINA SYLVIA REGOLI ALMADATUTOR: JOSE RAMIRO MART INEZ DE DIOS

10 de junio de 2013

Resumen

Las redes inalambricas de sensores (WSN) ha sido ampliamente desarrolladas en losultimos

anos, debido a la gran variedad de aplicaciones civiles y militares que tienen.Sin embargo presentan

fuertes restricciones energeticas, debido a que trabajan con fuentes de energıa independientes, y de

manera autonoma. Si los nodos de la red se desgastan, su funcionamiento se deteriora pudiendo

acarrear consecuencias importantes. Por esta razon se han invertido muchos esfuerzos para mejorar las

condiciones energeticas de estas redes. En este sentido el enrutamiento juega un papel fundamental

en el uso eficiente de la energıa de las redes WSN, por lo que se ha desarrollado una gran cantidad de

metodos de enrutamiento, basados en diferentes filosofıas .

En este trabajo se presenta un metodo de enrutamiento centralizado, qcuyo objetivo principal es

optimizar una funcion objetivo con miras a mantener equilibrado el nivel de baterıa de los nodos, de

manera de conseguir que el tiempo de vida de la red sea lo mas largo posible. Para esto se trabaja con

tecnicas activas aplicadas a redes WSN. En base a la evaluacion de una cierta funcion objetivo se toman

decisiones para modificar la configuracion de la red en diferentes instantes de tiempo, permitiendose

activar o desactivar la participacion de los nodos en el enrutamiento.

iii

Agradecimientos

Quisiera agradecer al Prof. Jose Ramiro Martınez de Dios por la colaboracion, paciencia y apoyo

prestado en la realizacion de este trabajo. Gracias por la confianza y por impulsarme siempre a seguir

adelante.

v

Dedicatoria

Quiero dedicar este trabajo a dos personas que me dan la fuerza para intentar ser mejor cada dıa:

A Dan El, mi companero de vida, mi apoyo, mi equilibrio. Porque

”estar o no estar contigo es la medida de mi tiempo”.

A Sebastian, que con su sonrisa ilumina todos los dıas de mi vida.

Te quiero mi Sebis.

Indice

Resumen ii

Agradecimientos iv

Dedicatoria vi

Lista de Acronimos xv

1 Introducci on 1

1.1 Motivacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

1.3 Contexto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

1.4 Estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3

2 Estado del arte 5

2.1 Redes inalambricas de sensores (WSN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Aplicaciones de las redes WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.2 Parametros de diseno de una red WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.3 Topologıa de la red WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.4 Consumo de energıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Protocolos de enrutamiento en redes WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 8

2.2.1 Enrutamiento plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.2 Enrutamiento jerarquico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.3 Enrutamiento basado en localizacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

ix

2.3 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16

3 Metodo desarrollado 17

3.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2 Descripcion del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.3 Estrategia activa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 19

3.4 Descripcion del protocolo desarrollado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.5 Ejemplos ilustrativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

3.6 Funciones objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 26

3.7 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27

4 Implementacion 29

4.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2 Esquema general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 29

4.2.1 Tipos de mensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.2.2 Activacion de nodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.3 Metodo de rutado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.3.1 Difusion de mensajes de rutas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.4 Simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.4.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.4.2 Esquema del simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.4.3 Simulador del medio radioelectrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.5 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42

5 Simulaciones y resultados 43

5.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.2 Ejemplo paso a paso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

5.3 Evaluacion con diferentes funciones objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.3.1 Topologıas aleatorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.3.2 Evaluacion con topologıas distintas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.4 Comparacion con Colletion Tree Protocol (CTP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.5 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61

x

6 Conclusiones y desarrollos futuros 63

6.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63

6.2 Desarrollos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 65

Referencias 67

xi

Indice de Figuras

3.1 Diagrama de flujo del protocolo desarrollado . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 21

3.2 Comparacion entre protocolos basados en mınimo numero de saltos y en esquema Coste-

Recompensa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.1 Esquema del Simulador programado en MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 38

4.2 Curva tıpica de PRR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.1 Esquema, estados y rutas iniciales de la red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 44

5.2 Ruta inicial escogida por la BS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 45

5.3 Configuracion obtenida a partir de la evaluacion realizada por la BS . . . . . . . . . . . 47

5.4 Configuracion final de la red WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.5 Niveles de baterıa en los nodos y baterıa promedio, en funcion del tiempo . . . . . . . . 48

5.6 Nodos activos para todas las J, durante la simulacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.7 Topologıa y rutas iniciales para red de tipo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.8 Numero de nodos con baterıa para la red de tipo 1, evaluada con todas las funciones

objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51



objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52



objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53


xiii


objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.15 Topologıa de una red tipo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.16 Niveles de baterıa para la Topologıa tipo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56





5.21 Detalle de curva CTP y Nodo con menos baterıa del protocolo desarrollado . . . . . . . 59



xiv

Lista de Acronimos

ACK Acknowledgement

ACQUIRE Active Query Forwarding in Sensor Networks

APTEEN Adaptive Periodic Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols

CADR Constrained Anisotropic Diffusion Routing

BS Base Station

CH Cluster Head

CTP Collection Tree Protocol

DAM Distributed Aggregate Management

EAR Energy Aware Routing

EBAM Energy-Based Activity Monitoring

EECR Energy Efficient Clustering Routing

EMLAM Expectation-Maximization Like Activity Monitoring

GAF Geographic Adaptive Fidelity

GBR Gradient-Based Routing

GEAR Geographic and Energy Aware Routing

GEDIR Geographic Distance Routing

xv

GOAFR Greedy Other Adaptive Face Routing

GPS Global Positioning System

HPAR Hierarchical Power-Aware Routing

IDE Integrated Development Environment

LA Local Aggregator

LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy

MA Master Aggregator

MCFA Minimum Cost Forwarding Algorithm

MECN Minimum Energy Communication Network

MFR Most Forward within Radius

POMDP Partial Observable Markov Decision Processes

PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems

PRR Packet Reception Rate

QoS Quality of Service

RMASE Routing Modeling Application Simulator Environment

SAR Sequential Assignment Routing

SMECN Small Minimum Energy Communication Network

SOP Self Organizing Protocol

SPIN Sensor Protocolos for Information via Negotiation

TEEN Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols

THL Time has lived

TTDD Two-Tier Data Dissemination

xvi

VGA Virtual Grid Architecture

WBAN Wireless Body Area Network

WSN Wireless Sensor Networks

LCNM+PC Linear Constrained Nelder-Mead method with Premature Collapse

xvii

Capıtulo 1Introduccion

1.1 Motivacion

Las redes inalambricas de sensores (WSN) son una tecnologıa emergente que ha despertado gran

interes en losultimos anos, tanto a nivel academico como industrial, debido a que en base a ellas se

puede desarrollar una diversa cantidad de aplicaciones civiles y militares. Estan formadas por pequenos

dispositivos (nodos sensores) de bajo coste, capaces de obtener informacion fısica del ambiente, con

capacidades de procesamiento basico y de transmision de informacion. Se comunican a traves de

un medio inalambrico en distancias cortas y colaboran para realizar una tarea especıfica, como por

ejemplo la monitorizacion ambiental. En muchas aplicaciones la ubicacion inicial de los nodos es

aleatoria, por lo que deben ser capaces de organizarse de manera autonoma en una red de comunicacion

inalambrica. En general, una de las ventajas importantes de estas redes es quepueden trabajar de manera

no asistida por periodos relativamente largos de tiempo. Entre sus caracterısticas mas destacadas se

pueden mencionar la alta densidad de nodos que contienen, ası como fuertes restricciones de energıa,

computacion y memoria de almacenamiento [1].

En las redes WSN es muy importante hacer uso eficiente de los recursos, debido a las condiciones y

restricciones que se presentan al trabajar con este tipo de tecnologıa. En este sentido, se han propuesto

diferentes mecanismos para mejorar las comunicaciones y el consumo energetico en este tipo de redes.

El enrutamiento juega un papel primordial en el uso de la energıa de las redes WSN, ya que un rutado

ineficiente puede deteriorar de manera importante el desempeno de la red, trayendo consecuencias

practicas considerables.

1

2 CAPITULO 1. INTRODUCCI ON

Generalmente para el transporte de informacion en las redes WSN se implementan protocolos

de enrutamiento multi-salto, con la finalidad de transmitir los datos obtenidos a partirlos sensores a

nodos especiales de recoleccion de informacion llamados sumideros [2], conectados directamente a una

estacion base (BS). Las rutas establecidas para la comunicacion entre los nodos pueden ser dinamicas,

variando en el tiempo, de acuerdo a diversos factores tomados en cuenta a la hora de disenar la red,

tales como el nivel de baterıa de cada nodo. En funcion del desgaste de la baterıa de los nodos, y con

la finalidad de garantizar el correcto funcionamiento de la red por mas tiempo, se pueden modificar los

caminos a traves de los cuales se transmiten los mensajes de forma dinamica. Esto es un factor muy

importante a tomar en cuenta, ya que en muchos casos es difıcil o imposible recargar o cambiar la

baterıa de los sensores, debido a las condiciones del sitio donde se encuentran ubicados.

1.2 Objetivos

El objetivo general de este trabajo es el desarrollo de un metodo de enrutamiento activo, que permita

realizar evaluaciones periodicas del estado de una red, con la intencion de tomar decisiones a partir de

la optimizacion de una funcion objetivo, que promuevan el desempeno deseado de la red.

Para conseguir este objetivo general, se plantean unos objetivos especıficos:

• Disenar la concepcion teorica del metodo, definiendo sus caracterısticas y parametros en base al

problema que se quiere resolver

• Definir diversas funciones objetivos para evaluar el desempeno del protocolo de acuerdo con las

caracterısticas de cada una de esas funciones

• Implementar el diseno del metodo

• Realizar simulaciones bajo diferentes condiciones, para evaluar las prestaciones del metodo

• Comparar el metodo desarrollado con un protocolo de enrutamiento existente ya validado

1.3 Contexto

Este trabajo fue desarrollado en el marco de la lınea de investigacion de Redes Inalambricas de

Sistemas Embebidos, perteneciente al Grupo de Robotica, Vision y Control, del Departamento de

1.4 Estructura 3

Ingenierıa de Sistemas y Automatica de la Universidad de Sevilla.

El trabajo ha sido aceptado para ser incluido como un capıtulo en la publicacion del libro ”Advances

in Sensor Networks Research” que sera publicado por Nova Publishers.

1.4 Estructura

La organizacion del trabajo se estructura de la siguiente manera: En el Capıtulo 2 se realiza una

descripcion del estado del arte de los protocolos de enrutamiento en las redes inalambricas de sensores

. En el Capıtulo 3 se describe el metodo desarrollado, sus caracterısticas mas importantes, diagrama

de flujo y se incluye un ejemplo basico para comprender mejor los fundamentos del metodo. Despues,

en el Capıtulo 4 se explica la implementacion del metodo propuesto, se describe el esquema general, el

intercambio de mensajes entre la BS y los nodos y se detallan las diferentes funcionalidades del metodo.

En el Capıtulo 5 se describen las diferentes simulaciones realizadas, la comparacion del metodo con un

protocolo ya existente, y los resultados obtenidos. Porultimo se presentan las conclusiones y propuestas

para desarrollos futuros.

4 CAPITULO 1. INTRODUCCI ON

Capıtulo 2Estado del arte

2.1 Redes inalambricas de sensores (WSN)

Una red inalambrica de sensores generalmente consiste en un grupo de nodos sensores multifun-

cionales de bajo consumo y de bajo costo, desplegados en una region de interes. Estos nodos son

de pequeno tamano, pero conformados por sensores, microprocesadores integrados y transceptores;

estos elementos les otorgan capacidad de deteccion, procesamiento de datos y comunicacion. Se

comunican a traves de distancias cortas por un medio inalambrico y colaboran entre sı para lograr

una tarea determinada, como por ejemplo la monitorizacion del medio ambiente o control de procesos

industriales, entre otros [3].

Entre las caracterısticas y limitaciones de las redes WSN se pueden mencionar las siguientes [3]:

• Son escalables, pudiendo llegar a tener una alta cantidad de nodos.

• Presentan independencia de fuentes externas de alimentacion, casi siempre son alimentadas por

medio de baterıas.

• Altas limitaciones en cuanto a rango de comunicaciones, capacidades computacionales, de alma-

cenamiento y energeticas de los nodos.

• Los nodos son propensos a fallas o danos fısicos, por usarse generalmente en ambientes hostiles.

• Las redes WSN presentan cambios frecuentes en su topologıa, debido a danos o fallas en los nodos,

desgaste energetico o desvanecimiento del canal de comunicacion.

5

6 CAPITULO 2. ESTADO DEL ARTE

• Usualmente no es posible obtener un esquema de direccionamiento global en una red de sensores,

debido al gran numero de ellos que la conforman [1].

• Cada nodo WSN es fragil en sı mismo, la fortaleza proviene de la cooperacion de diversos nodos

para cumplir una mision

• En la mayorıa de las aplicaciones de redes de sensores, la informacion obtenida por los sensores

fluye desde muchos sensores hacia una sola estacion base, por lo que se tiene un patron de trafico

”many-to-one”.

2.1.1 Aplicaciones de las redes WSN

Los sensores se pueden utilizar para monitorizar una gran cantidad de magnitudes fısicas, tales como

temperatura, humedad, presion, luz, sonido, calidad del agua, entre otros. Las redes inalambricas de

sensores tienen menores costes y tiempo de implementacion que las redes cableadas, y ademas pueden

implementarse en sitios inhospitos, tales como campos de batalla, espacio exterior, oceanos, etc.

Las redes WSN inicialmente se desarrollaron para aplicaciones militares, pero posteriormente y de-

bido principalmente al bajo coste de los sensores y al sistema inalambrico de comunicacion, se incursiono

en una gran cantidad deareas, en las cuales se han hecho grandes desarrollos. Entre las mas importantes

se pueden mencionar citeJun monitorizacion ambiental, aplicaciones militares, salud, control de procesos

industriales, seguridad y supervision y porultimo domotica.

2.1.2 Parametros de diseno de una red WSN

Al momento de disenar una red WSN, es importante conocer las caracterısticas y requerimientos

de la aplicacion para la cual se quiere construir la red, ya que en funcion de esto se tomaran en

cuenta ciertos parametros que influiran directamente en su desempeno. Entreestos se encuentran los

siguientes: numero y coste de nodos, consumo de energıa, autoconfiguracion, escalabilidad, adaptabili-

dad, fiabilidad, tolerancia a fallos, seguridad, utilizacion del canal y soporte de calidad de servicio (QoS).

Es importante destacar que cada aplicacion tiene diferentes requerimientos, por lo que no es ne-

cesario tomar en cuenta todos los parametros al momento de disenarla, ya que ademas dificultarıa su

implementacion final.

2.1 Redes inalambricas de sensores (WSN) 7

2.1.3 Topologıa de la red WSN

En una red WSN puede haber desde decenas hasta miles de nodos desplegados en elarea de interes,

con una alta densidad, siendo muchos inaccesibles y no asistidos, propensos a fallos frecuentes, lo cual

conlleva un complicado mantenimiento de la topologıa de la red. Para estudiar el mantenimiento de esa

topologıa se pueden establecer tres fases [1]:

1. Pre-despliegue y despliegue: Los nodos pueden lanzarse en masa oubicarse individualmente en el

sitio, pudiendo ser arrojados desde un avion, catapultados, colocados uno a uno por una persona o

un robot, etc.

2. Post-despliegue: Despues del despliegue de los nodos, se pueden producir cambios en la topologıa

debidos a la posicion, accesibilidad, energıa disponible y/o fallos de los mismos, ası como tambien

de acuerdo con la dinamica de las tareas.

3. Re-despliegue: Se pueden agregar nodos nuevos a la red para reemplazar los nodos que presenten

fallas, o debido a cambios en la dinamica de las tareas.

2.1.4 Consumo de energıa

Los nodos sensores inalambricos estan equipados con fuentes de energıa autonoma y limitada, y en

muchos casos la recarga de las baterıas se hace imposible. Por esta razon, el tiempo de vida de un nodo

esta estrechamente ligado al de su baterıa. Si un nodo deja de funcionar se originan cambios importantes

en la topologıa de la red. Ası, la conservacion y administracion de la energıa en la red es muy importante,

por lo que se han desarrollado muchos trabajos de investigacion enfocandose en protocolos y algoritmos

de redes de sensores que optimicen el uso de la energıa. Entre los diferentes enfoques se ha trabajado

con grupos de sensores oclusters[4, 5, 6], estudiando la movilidad y enrutamiento de los sensores [7], e

incluso cambiando la posicion de las estaciones base [2].

Entre los aspectos importantes que se han venido desarrollando en las redes WSN se encuentran los

protocolos de comunicacion, con miras a garantizar un a comunicacion confiable y un uso eficiente de la

energıa dentro de la red. Entre estos protocolos se pueden mencionar los de acceso al medio, de enlace,

llegando hasta los protocolos de enrutamiento. A continuacion se describen estosultimos porque estan

relacionados con el objetivo general de este trabajo.


2.2 Protocolos de enrutamiento en redes WSN

Los protocolos de enrutamiento de las redes WSN varıan dependiendo de la aplicacion y la arquitec-

tura de red para la que son disenados. Se pueden clasificar de manera general en tres grupos [8]:

De acuerdo a la estructura de la red, pueden distinguirse tres tipos de enrutamiento:

• Enrutamiento plano: Todos los nodos desempenan el mismo papel

• Enrutamiento jerarquico: Se agrupan los nodos y los organizadores de la agrupacion hacen

la agregacion y reduccion de datos para ahorrar energıa

• Enrutamiento basado en localizacion: Usan la informacion de posicion de los nodos para

transmitir los datos a las regiones deseadas de la red

Segun la operacion del protocolo, se pueden clasificar en cinco diferentes tipos de protocolo:

• Basado en multirutas: Los nodos pueden almacenar varias rutas diferentes hacia cualquier

destino de la red

• Basado en negociacion: los nodos sensores intercambian diferentes mensajes de negociacion

para eliminar informacion redundante y evitar la sobrecarga de la red

• Basado en consulta: Si un nodo desea conocer cierta informacion de la red inicia la propa-

gacion de una consulta a traves de la misma, la cual, es respondida por el nodo que contiene

dicha informacion,

• Basado en Calidad de servicio (QoS): Estos protocolos estan obligados a mantener ciertas

metricas de calidad de servicio en la red, como son el retardo extremo a extremo, el ancho

de banda disponible o la energıa consumida, a traves del balanceo o reparto uniforme de las

transmisiones de los datos recogidos por la red y enviados a la BS

• Basado en coherencia: La informacion de los sensores se transmite a los nodos encargados

de tareas de agregacion de la informacion despues de realizar un mınimo procesado de la

misma.

Segun la forma en que la fuente crea una ruta hacia el destino, se distinguen tres categorıas:

• Proactivo: Las rutas se estiman antes de que se necesiten

• Reactivo: Las rutas se estiman de acuerdo con la demanda

2.2 Protocolos de enrutamiento en redes WSN 9

• Hıbrido: Se combinan las dos ideas anteriores

A continuacion se describiran los protocolos mas resaltantes de cada tipo de enrutamiento de acuerdo a

la estructura de la red.

2.2.1 Enrutamiento plano

En este enfoque todos los nodos realizan las mismas labores de enrutamiento yprocesamiento, co-

laborando juntos para realizar las tareas, sin tener roles diferentes. Muchas veces resulta inconveniente

asignar identificadores globales a los nodos, debido a las dimensiones de lared. Por esta razon se trabaja

de manera centralizada, donde la estacion base envıa consultas y/o espera los datos enviados por los

sensores. Entre los protocolos mas destacados de enrutamiento plano se encuentran los siguientes:

• Difusion Directa [9]: Se basa en la negociacion de datos y la eliminacion de datos redundantes,

con la finalidad de ahorrar energıa. Es un protocolo basado en consultas; esta compuesto por varios

elementos: intereses, datos, gradientes y refuerzos. Una tarea de deteccion se disemina a traves de

la red de sensores como un interes. Esta diseminacion activa gradientes dentro de la red, a traves

de los vecinos del nodo desde donde se ha recibido el interes. Los eventos entonces fluyen desde

el generador de intereses a traves de multiples caminos de gradientes. La red de sensores refuerza

uno o un pequeno numero de estos caminos.

• Rumor[10, 11]: Es un protocolo basado en consultas; la idea es enrutar las consultas alos nodos

que hayan observado un evento en particular en vez de inundar toda la red para obtener informacion

sobre un evento. Esta concebido para entornos donde el enrutamiento geografico no es posible.

Tiene buen desempeno solo si el numero de eventos es pequeno, de lo contrario los costos de

mantener los agentes y las tablas de eventos se vuelven inviables si no hay suficiente interes por

parte de la estacion base en estos eventos.

• SPIN (Sensor Protocolos for Information via Negotiation) [12]: Toda la informacion se distri-

buye a todos los nodos de la red, suponiendo que todos son posibles estaciones base. Ası, un

usuario puede consultar cualquier nodo y obtener inmediatamente la informacion requerida. Se

usa la negociacion de meta-datos para evitar redundancia en la red.

• MCFA ( Minimum Cost Forwarding Algorithm) [13]: Este protocolo explota el hecho de que la

direccion de enrutamiento es siempre conocida, por lo que un nodo no necesita tener un unico


identificador ni mantener una tabla de enrutamiento. En este protocolo cada nodo mantiene una

estimacion del camino de menor coste hasta el sumidero.

• GBR (Gradient-Based Routing) [14]: En este protocolo cada nodo puede calcular un parametro

llamado altura del nodo, que es el numero mınimo de saltos para alcanzar la estacion base. La

diferencia entre la altura de un nodo y la de su vecino se considera el gradiente del enlace. Un

paquete se envıa a traves del enlace con mayor gradiente. El objetivo principal de este esquemaes

obtener una distribucion balanceada del trafico en la red, con miras a aumentar el tiempo de vida

de la misma [8].

• CADR (Constrained Anisotropic Diffusion Routing) [15]: En este protocolo se enrutan los datos

de la red buscando maximizar la informacion y minimizar la latencia y el ancho de banda. Se

difunden consultas activando solo los sensores que esten cerca de un evento particular y ajustando

dinamicamente las rutas de informacion. La diferencia principal respecto a difusion directa es

la consideracion de ganancia de informacion ademas del costo de comunicacion para decidir el

enrutamiento.

• COUGAR [16]: La red se considera como una gran base de datos distribuida. Se realizan consul-

tas declarativas con el fin de extraer el procesamiento de consultas de las funciones de la capa de

red tales como la seleccion de los sensores adecuados, etc.; se utiliza la agregacion de datos dentro

de la red para ahorrar energıa. El protocolo incorpora una arquitectura para el sistema de base de

datos de los sensores, donde los nodos eligen un lıder encargado de la agregacion y transmision de

los datos a la estacion base.

• ACQUIRE ( Active Query Forwarding in Sensor Networks) [17]: La red es considerada como

una base de datos distribuida donde las consultas complejas se pueden subdividir en varias sub-

consultas. La estacion base envıa una consulta, que es retransmitida por cada nodo que la recibe.

Cada nodo intenta responder a la consulta parcialmente a partir de su informacion prealmacenada

y de las actualizaciones recibidas por sus vecinos en un radio ded saltos. Una vez resuelta la

consulta completa, se envıa de vuelta a traves del camino mas corto o del camino en reverso a la

estacion base. La escogencia del valord puede afectar considerablemente el desempeno de la red.

• EAR (Energy Aware Routing) [18]: Este protocolo busca aumentar el tiempo de vida de la red.

Para esto se parte del hecho de que usar el camino de menor energıa no siempre es la mejor

solucion desde el punto de vista del tiempo de vida de la red y la conectividad a largo plazo. Por


esto se propone encontrar caminos sub-optimos para permitir una distribucion mas equitativa del

consumo energetico de la red.

• Enrutamiento con pasos aleatorios (Random Walks Routing Protocols) [19]: Los mensajes se

enrutan a traves de todos los caminos posibles entre una fuente y un destino, sin realizar calculos

explıcitos de descubrimientos/reparacion de rutas, y sin tener informacion explıcita del estado

de las rutas disponibles hacia los nodos. Se consideran solo redes a gran escala, con movilidad

de los nodos muy reducida y dinamica de la red no controlada (los nodos pueden estar activos

o inactivos de manera aleatoria en distintos instantes de tiempo). La ubicacion de los nodos se

obtiene calculando las distancias entre nodos con el algoritmo de Bellman-Ford.

• CTP (Collection Tree Protocol) [20]: En este protocolo algunos nodos de la red se anuncian como

raıces dearbol. Los nodos forman un conjunto dearboles de enrutamiento hacia estas raıces. En

CTP un nodo no envıa un paquete a una raız en particular, pero implıcitamente elige una raız

al escoger el proximo salto. Las rutas de los nodos hacia las raıces se generan usando el ETX

(transmisiones esperadas) como gradiente de enrutamiento. Para un conjunto de rutas validas CTP

escogera la ruta con el menor ETX.

En este protocolo se pueden presentar bucles de enrutamiento, cuando un nodo elige una ruta con

un ETX mucho mayor que el suyo anterior, debido probablemente a la perdida de conectividad con

un candidato padre. Si esta nueva ruta incluye un nodo que era un descendiente, entonces ocurre un

bucle. Ademas en CTP se puede presentar la duplicacion de paquetes, que ocurre cuando un nodo

recibe una trama de datos de manera exitosa y transmite una senal ACK, peroesta no es recibida.

El nodo emisor reenvıa el paquete, recibiendolo el receptor por segunda vez. Esto puede tener

consecuencias graves luego de varios saltos, ya que la duplicacion es exponencial. Este protocolo

incluye mecanismos para contrarrestar estos problemas.

2.2.2 Enrutamiento jerarquico

Este tipo de enrutamiento presenta ventajas en cuanto a la escalabilidad y eficiencia en las comunica-

ciones. Particularmente para las redes WSN, los nodos con mayor energıa se pueden usar para procesar

y enviar la informacion, mientras que los de menor energıa se usan para monitorizar el entorno y enviar

la informacion al nodo con mayor capacidad energetica. La creacion de grupos oclustersy la asignacion

de tareas especiales a losCluster Head(CH), contribuye a mejorar la escalabilidad, tiempo de vida y


eficiencia energetica del sistema. Los algoritmos de este tipo mas importantes que se han desarrollado

se describen a continuacion:

• LEACH ( Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) [21]: Este protocolo escoge aleato-

riamente algunos nodos como CH y rota esta funcion para distribuir uniformemente la carga

energetica entre los nodos de la red. Cada CH comprime los datos provenientes de los nodos

que pertenecen a su grupo, y envıa el paquete resultante a la estacion base. La recogida de datos

se realiza de manera periodica y centralizada, siendoutil cuando se necesita una monitorizacion

constante por parte de la red de sensores. Despues de un determinado periodo de tiempo, se rota

aleatoriamente el rol de CH, logrando ası una disipacion de energıa uniforme en la red. Existe una

variacion de este protocolo (LEACH-C [22]) que usa un algoritmo centralizado para la formacion

de losclustersy que puede arrojar mejores resultados.

• PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems) [23]: En este protocolo

los nodos solo necesitan comunicarse con su nodo mas cercano en la cadena, hasta llegar alultimo

que se comunica directamente a la estacion base. La informacion recogida se transfiere nodo

a nodo por la cadena, se fusiona y el nodo final la transmite hacia el sumidero. El protocolo

funciona en base a rondas, alternandose el nodo que tiene comunicacion directa con la estacion

base, ası el consumo de potencia se reparte de manera uniforme entre todos los nodos. Por otro

lado se disminuye el ancho de banda requerido para la comunicacion, debido a la coordinacion

local entre nodos cercanos.

• TEEN (Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols) y APTEEN (Adaptive Periodic

Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols) [24, 25]: Estos protocolos se desarrollaron para

aplicaciones donde se necesita una respuesta rapida frente a cambios repentinos de los parametros

a medir. En TEEN los nodos monitorizan el medio permanentemente, pero la transmision de datos

es esporadica. Cada CH le envıa a su grupo un umbral duro (HT ), que es el valor umbral del

atributo medido; por otro lado envıa tambien un umbral suave (HS), que consiste en una pequena

variacion en el valor del atributo que hace que el nodo active su transmisor y transmita. Los nodos

transmitiran solo cuando el atributo medido se encuentre en el rango de interes (por encima deHT )

y la diferencia con la anterior medida transmitida sea mayor queHS . En APTEEN, los valores de

los umbrales se modifican periodicamente, de acuerdo a las necesidades del usuario y el tipo de

aplicacion.


• MECN (Minimum Energy Communication Network) [26]: Este protocolo identifica una region

de accion para cada nodo, donde transmitir a traves esos nodos es mas eficiente energeticamente

que la transmision directa. La idea es encontrar una subred (utilizando un sistema de posicio-

namiento global de baja potencia) con un numero menor de nodos y que requiera menos potencia

de transmision entre dos nodos determinados, obteniendo ası rutas de mınimo coste energetico

sin tomar en cuenta todos los nodos de la red. Este protocolo se adapta dinamicamente a fallos

de nodos o despliegue de nuevos sensores, aunque asume que todos los nodos pueden transmi-

tir a cualquier otro nodo, cosa que no siempre es posible. Por eso se desarrollo una extension

de este protocolo, llamada SMECN (Small Minimum Energy Communication Network) [27], que

considera la posible existencia de obstaculos entre los nodos.

• SOP (Self Organizing Protocol) [28]: Se utiliza en redes con sensores heterogeneos, con diferen-

tes capacidades y funcionalidades, con nodos moviles o estacionarios. Los nodos enrutadores son

fijos; se auto organizan en una red para implementar el algoritmo mientras que los nodos especia-

lizados solo mantienen un seguimiento de los enrutadores activos y mas cercanos a ellos. El algo-

ritmo consta de cuatro fases: descubrimiento, organizacion, mantenimiento y auto-reorganizacion.

Este algoritmo tiene bajos costes en el mantenimiento tanto de las tablas como de una jerarquıa de

enrutamiento equilibrada. Sin embargo, puede producir una sobrecargaespecialmente en la fase

de organizacion del algoritmo, y si ocurren muchos cortes en la red aumenta la probabilidad de

usar la fase de auto-reorganizacion, lo que aumenta los costes de operacion.

• Enrutamiento de conjuntos de sensores[29]: El objetivo de estos protocolos es monitorizar

colectivamente la actividad de un objetivo en un determinado entorno. Un conjunto de sensores

comprende aquellos nodos en una red que satisfacen ciertos atributos deagrupacion para una tarea

de procesamiento colaborativo. Bajo este concepto se propusieron en [29] tres algoritmos: DAM

(Distributed Aggregate Management), EBAM (Energy-Based Activity Monitoring), y EMLAM

(Expectation-Maximization Like Activity Monitoring).

• VGA (Virtual Grid Architecture) [30]: Se utiliza la agregacion y procesamiento de datos dentro

de la red para maximizar el tiempo de vida de la misma. Se asume una topologıa fija de los nodos.

Se suele trabajar conclusterscuadrados para obtener una topologıa virtual rectilınea, con un CH

para cada zona. La agregacion se realiza en dos niveles; local y global. Al conjunto de los CH se

le denominaLocal Aggregator(LA) y se utilizan para realizar la agregacion local mientras que un


subconjunto deestos, llamadosMaster Aggregator(MA), la realizan a nivel global.

• HPAR (Hierarchical Power-Aware Routing) [31]: Este protocolo divide la red en grupos de sen-

sores geograficamente cercanos, formando unclustercomo una zona, tratandose cada una como

una entidad. A cada zona se le permite decidir como enrutar un mensaje jerarquicamente a traves

de las otras zonas para conseguir maximizar el tiempo de vida de las baterıas de los nodos del

sistema. Los mensajes son encaminados por la ruta de maxima reserva de energıa de entre todos

los caminos de mınima energıa restante, conocida como ruta max-min. El fundamento de esta idea

es que el uso de nodos de alta energıa residual puede ser mas caro que el camino con el mınimo

consumo de energıa.

• TTDD (Two-Tier Data Dissemination) [32]: Este enfoque provee la entrega de datos a varias

estaciones base moviles. Cada fuente de informacion construye de manera proactiva una malla

que se utiliza para difundir los datos a los sumideros moviles, asumiendo que los sensores son

estacionarios y que su posicion es conocida. Para la retransmision de datos se usan algoritmos

multi-salto.

• EECR (Energy Efficient Clustering Routing) [33]: El algoritmo propone que la formacion de los

clustersy la eleccion de los CH se realice conjuntamente entre el sumidero y los nodos miembros.

Se agrupan los sensores enclustersy se les capacita para operar en dos modos de funcionamiento:

Modo sensor o Modo CH. Esto permite que el algoritmo sea mas complejo, por lo que se puede

establecer una relacion equilibrada entre modos y ahorro de energıa.

2.2.3 Enrutamiento basado en localizacion

En este tipo de enrutamiento, los nodos son identificados a partir de sus ubicaciones. La distancia

entre nodos vecinos puede estimarse en base a los niveles de la senal de entrada, y sus coordenadas rela-

tivas mediante el intercambio de informacion entre los vecinos. Tambien se puede obtener la ubicacion

de los nodos a partir de un sistema de posicionamiento global (GPS) de baja potencia, contenido en los

nodos. En muchos de estos protocolos, cuando no hay actividad los nodos se mantienen dormidos, para

ası ahorrar energıa. A continuacion se describen algunos de estos protocolos:

• SAR (Sequential Assignment Routing) [34]: Es uno de los primeros protocolos de enrutamiento

que introduce el concepto de QoS en la decisiones de enrutamiento.


• GAF (Geographic Adaptive Fidelity) [35]: Es un protocolo definido originalmente para redes

ad hoc inalambricas, pero se usa tambien en redes de sensores. La red se divide en una serie de

zonas fijas, formando una malla virtual. Cada nodo utiliza su GPS para asociarse a un punto en la

malla virtual. Dentro de cada zona hay un nodo encargado de monitorizar elentorno y enviar los

datos al sumidero como representante de esa zona, mientras los demas pueden estar en estado de

baja energıa osleep. Periodicamente este rol cambia, con lo que se logra un gasto uniforme de la

energıa de los nodos.

• GEAR (Geographic and Energy Aware Routing) [36]: Es un protocolo de enrutamiento

geografico cuyo objetivo principal es el ahorro de energıa. Combina la energıa restante y la distan-

cia a la zona de destino para elegir las rutas.

• Algoritmos de enrutamiento basico localizado[37]: Los metodos utilizados en estos proto-

colos se basan en distancias, progreso y direccion, donde un nodo fuente selecciona un vecino

de acuerdo a determinado criterio. Entre estos metodos se encuentran MFR (Most Forward within

Radius)y GEDIR (Geographic Distance Routing); se puede decir que son variantes de los metodos

de gradiente.

• GOAFR (Greedy Other Adaptive Face Routing) [38]: Es un protocolo de enrutamiento

geometrico que combina el encaminamiento por gradiente y por caras. El algoritmo elige siempre

para el enrutamiento al vecino mas cercano al nodo siguiente. Sin embargo, puede quedarse en un

mınimo local (ningun vecino esta mas cerca de un nodo que el nodo actual).

• SPAN [39]: Es un algoritmo basado en posicion; selecciona algunos nodos como coordinadores

dependiendo de sus posiciones. Los coordinadores forman una red troncal utilizada para reenviar

los mensajes. Un nodo se convierte en coordinador si dos vecinos (no coordinadores) no pueden

comunicarse directamente entre sı o a traves de uno o dos coordinadores (acceso mediante tres

saltos). Los coordinadores nuevos y los ya existentes no necesariamente deben ser vecinos, por lo

que el diseno es poco eficiente en cuanto a energıa ya que se debe mantener la distancia de dos o

tres saltos entre vecinos.


2.3 Conclusiones

Los protocolos descritos en la Seccion anterior tienen diferentes caracterısticas y prestaciones, pero

todos buscan, entre otras cosas, mantener la red activa durante el mayor tiempo posible, garantizando

la comunicacion exitosa entre los diferentes nodos que la conforman. Para esto utilizan diferentes

tecnicas o estrategias, como la agrupacion de nodos en subgrupos que intercambien mensajes entre

ellos, haciendo un procesamiento mınimo de estos mensajes antes de enviarlos al resto de la red. Otros

trabajan con la agregacion de datos, o con la asignacion de diferentes roles para los nodos. Utilizan en

muchos casos metricas diversas con la intencion de hacer mas eficiente la comunicacion, permitiendo

cambios de esquemas o rutas de manera dinamica, entre muchas otras alternativas.

El metodo propuesto en este trabajo funciona de manera centralizada, todos los nodos transmiten

sus mensajes a la BS, pero introduce un concepto que no utilizan los otros protocolos. Esto consiste en

la toma de decisiones de enrutamiento a partir de la optimizacion de una funcion objetivo. Ası, el diseno

de la funcion objetivo tiene una gran importancia en el desempeno del protocolo, ya que a partir deesta

se puede elegir el tipo de comportamiento que se quiere para la red. El protocolo trabaja de manera

activa, evaluando el estado de la red de forma periodica, y modificando las rutas de manera dinamica en

base a los resultados de las evaluaciones.

En el Capıtulo 3 se describen las caracterıticas mas importantes del metodo desarrollado, para expli-

car su implementacion luego en el Capıtulo 4.

Capıtulo 3Metodo desarrollado

3.1 Introduccion

En base a las diferentes caracterısticas de los protocolos de enrutamiento existentes, viendo su forma

de funcionamiento, su clasificacion, debilidades y fortalezas, se plantea a continuacion un metodo de

enrutamiento que introduzca nuevas maneras de generar las rutas para transmitir los mensajes por la red.

En este trabajo se desarrolla un metodo de enrutamiento que busca optimizar una funcion objetivo,

con la intencion de conseguir un determinado comportamiento para una red. Se plantea unesquema

activo, donde de manera periodica se evalua el estado energetico de la red WSN. Se analiza el universo

de acciones posibles a tomar en ese instante, se predice el comportamiento dela red para el siguiente

instante, calculando la funcion objetivo para la configuracion obtenida para cada accion del universo,

escogiendose la que maximice esa funcion.

3.2 Descripcion del problema

El objetivo del trabajo es el desarrollo de un protocolo de enrutamiento que optimice el desgaste

energetico de los nodos de una red WSN, con miras a alargar el tiempo de vida de la misma.

Existen diferentes maneras de definir una red activa, las cuales estan relacionadas con la capacidad

de los nodos de transmitir mensajes, lo que a su vez depende de que su nivel de baterıa sea suficiente

para que esto suceda. Ası, podrıa definirse que una red se deja de estar activa cuando se produce alguno

de estos tres casos:

17

18 CAPITULO 3. M ETODO DESARROLLADO

1. Se desgasta al menos un nodo de la red, es decir hay al menos un nodoque ya no es capaz de

transmitir mensajes

2. Ya no llegan mensajes a la BS de ningun nodo

3. Se desgasta un numero de nodos mayor que un valor establecido, de acuerdo con la aplicacion

desarrollada

Para el desarrollo de este trabajo se utilizo el tercer criterio, ya que permite mayor flexibilidad,

pudiendo generalizarse a partir deeste los otros dos.

Para el desarrollo del metodo se asume una red WSN formada por sensores que, siempre que sus

baterıas esten cargadas, pueden encontrarse activos (miden, transmiten y recibeninformacion de otros

nodos), o inactivos (dormidos, solo se activan para medir y transmitir la medida tomada al nodo activo

mas cercano). El destino final de todos los mensajes es la estacion base. Cada sensor tiene un intervalo

de medicion, que no necesariamente es el mismo para todos los nodos. Las accionesque puede tomar

la BS en un momento dado son la activacion o desactivacion de la funcion de rutado de algun nodo, a

partir de la optimizacion de una funcion objetivo basada en un esquema Coste-Recompensa. Una vez

escogida la accion a tomar,esta se lleva a cabo y se envıan los mensajes de actualizacion del estado y

rutas de la red. La red se evalua de manera periodica, realizando una nueva prediccion y tomando la

accion correspondiente segun sea el caso. Este proceso se repite hasta que un porcentaje determinado de

nodos de la red se desgaste (este porcentaje depende de la aplicacion), y la red se considere entonces

inactiva.

Se asumen las siguientes suposiciones como punto de partida:

• La red tiene solo una estacion base (BS), la cual conoce la ubicacion y las caracterısticas (iden-

tificador, rango de transmision, consumos de potencia) de todos los nodos que conforman la red

WSN.

• Todos los nodos de la red WSN contienen sensores, por lo que todos generan informacion, cuyo

destino final siempre es la BS.

• Los nodos estan aleatoriamente distribuidos y su ubicacion es estatica.

3.3 Estrategia activa 19

• Todos los nodos pueden medir su nivel de baterıa, el cual transmitiran periodicamente a la estacion

base.

• Todos los nodos tienen la capacidad de mantenerse en estado de bajo consumo energetico y salir

del mismo para tomar su medicion y enviar el mensaje a la red.

• Todos los nodos de la red tienen la capacidad de despertar a otro nodo deser necesario.

3.3 Estrategia activa

El desarrollo del protocolo se realizo de manera activa, permitiendo la toma de decisiones de manera

periodica, a partir de la optimizacion de una funcion objetivo.

La funcion objetivo puede definirse a largo plazoJb o considerando solo en el siguiente instanteJa.

En base a estos se pueden plantear las siguientes formulaciones:

Ja = q1(s1)

Jb = q1(sN ) +N−1∑

k=1

q2(sk)

Las s son los estados para diferentes instantes de tiempo, mientras que lasq son las funciones

de coste a partir de las cuales se define la funcion objetivo. Se pueden plantear en base al desgaste

energetico de los nodos, o al numero de nodos conectados en un momento determinado, entre otras.

Si el instante actual es k=0, se ve que paraJa solo se toma en cuenta el instante siguiente k=1,

mientras que paraJb se toman en cuenta los estados desde k=1 hasta k=N. De manera general se plantea

la posibilidad de que para la prediccion los estados previos (desde k=1 hasta k=N-1) tengan unos costes

asociados distintos al del estado final de la red .

La funcionJb toma en cuenta mas parametros queJa, lo cual puede traducirse en mejores resultados.

Sin embargo, si se quiere trabajar en tiempo real, la carga computacional que supone trabajar de esta

manera resulta inmanejable.


Por esta razon en este trabajo se utiliza una funcion de tipoJa. Este enfoque que utiliza la prediccion

del comportamiento de un sistema en el instante siguiente se conoce comogreedy.

3.4 Descripcion del protocolo desarrollado

El metodo desarrollado es de tipo centralizado. La BS establece las rutas que deben seguir los

mensajes, en base a un protocolo de mınimo numero de saltos. Una vez establecidas las rutas iniciales,

la BS de manera periodica analiza el estado energetico de la red y elige la proxima mejor accion a

tomar para actualizar las rutas. Para esto el metodo sigue tres etapas. La primera consiste en conocer

el universo de posibles acciones a tomar en el tiempo t, entre las que se encuentran cambiar el modo

de rutado de un nodo de activo a inactivo (dormido) o viceversa. La segunda etapa es evaluar todas las

acciones dentro del universo de acciones, segun la prediccion del estado de la red WSN para el siguiente

periodo, calculando el valor de la funcion objetivo para cada caso. Porultimo se escoge y ejecuta la

accion con mejor comportamiento, enviando los mensajes de actualizacion de rutas a la red.

Como se dijo anteriormente, los nodos pueden encontrarse en dos posiblesmodos mientras tengan

baterıa suficiente para transmitir: activo o inactivo (baja energıa). Antes de describir los detalles del

metodo desarrollado, es importante describir los posibles estados que puede tener un nodo;estos se

muestran en la Tabla3.1

Estado Modo / Descripcion

1 Activo / Esta funcionando como enrutador0 Inactivo / Forzado por el metodo de rutado2 Inactivo / Al escoger las rutas ningun nodo enruta mensajes a traves deeste (hoja)3 Inactivo / Forzado, el nivel de Baterıa se encuentra por debajo de un valor UE-1 Descargado / El nivel de Baterıa se encuentra por debajo de un valor UD

Tabla 3.1: Estados en los que puede encontrarse un nodo

La Figura3.1 muestra el diagrama de flujo del metodo propuesto.Se parte de unas condiciones

iniciales, la estacion base conoce la posicion en el espacio y el nivel de baterıa de los nodos, asumiendo

que todos estan encendidos. Ademas se conocen las caracterısticas de los nodos (distancia maxima de

transmision de los nodos, potencias de recepcion, transmision, etc.).

3.4 Descripcion del protocolo desarrollado 21

Fin

Inicio

Cálculo de rutas para

estado actual de nodos

sí

Inicialización

no

Selección de acciones

posibles

Predicción de J para

toda acción posible

Selecciónar acción

que maximiza a J

Enviar mensajes de

activación y rutado

N°nodos

Se espera un tiempo

Teval

Evaluación del estado

de la red WSN

descargados>X

Figura 3.1: Diagrama de flujo del protocolo desarrollado

A continuacion se describen los bloques funcionales mas importantes del Diagrama de flujo:

• Calculo de rutas iniciales: Para el establecimiento de las rutas para la transmision de los mensajes

entre cada nodo y la BS, se utiliza un algoritmo de mınimo numero de saltos [40]. Seguidamente

se envıan por difusion a la red los mensajes con la informacion asociada a los estados y padres de


cada nodo.

• Evaluacion del estado de la red WSN: En este paso la BS evalua las condiciones energeticas

de los nodos para el momento actual. En este sentido, se verifica si hay algun nodo cuyo nivel

de baterıa no sea suficiente para transmitir, en cuyo caso cambiara el Estado de este nodo a ”-1”

(ver Tabla3.1) y ya no se considerara mas en el establecimiento de las rutas. En este punto, si el

numero de nodos descargados es mayor que el valor permitido por la aplicacion para considerar

la red activa, se termina la simulacion. De lo contrario, se verifica si algun nodo, que no este en

”Estado=-1”, se encuentra por debajo del umbral de enrutamiento (UE). De ser ası, el nodo se

coloca en el Estado ”3” .

• Seleccion de acciones posibles: En este bloque se plantea el universo de acciones posibles a tomar

a partir del estado actual de la red. Esto consiste en todas las posibles combinaciones, entre los

nodos que se encuentran en los Estados ”1”, ”0” y ”2”, que consistenen activar o desactivar la

funcion de rutado para cada uno de ellos.

• Prediccion de la funcion objetivo J para toda accion posible: En este paso se calcula el valor

de la funcion objetivoJ asociado a cada posible accion a tomar, que predice el desempeno de la

red para cada uno de los siguientes posibles estados. Se escoge la accion que maximice el valor de

J.

• Envıo de mensajes de activacion y rutado: Se envıa por difusion la informacion de actualizacion

de estados y rutas a toda la red.

Entre una evaluacion y otra del estado de la red, se deja transcurrir un tiempoTeval (tiempo de

evaluacion de la red). Es importante lograr un balance entre la optimizacion del gasto de energıa de

la red y la sobrecarga de la misma con informacion de los sensores. En este sentido, es importante

establecer unTevaladecuado para la evaluacion de las condiciones energeticas, que no debe ser muy

pequeno ya que sobrecargarıa la red con informacion propia del estado de los sensores, ni tampoco muy

grande, ya que se podrıan descargar u ocurrir fallas en los sensores, produciendose ruptura de enlaces y

perdida de informacion.

El protocolo desarrollado modifica la topologıa de la red de manera dinamica, evaluando sus

condiciones energeticas de forma periodica. Uno de los aspectos crıticos al momento de realizar el

diseno es la adecuada seleccion de la funcion objetivo, ya que sera el punto de partida para evaluar una

3.5 Ejemplos ilustrativos 23

determinada topologıa en un momento dado y decidir si es necesario modificarla o no.

En el momento en que la baterıa de un sensor este por debajo de un umbral de enrutamientoUE,

definido como el nivel de baterıa a partir del cual el nodo ya no puede funcionar como enrutador, se

obliga al nodo a mantenerse dormido para alargar la vida del mismo, y mantenerlo transmitiendo sus

medidas durante el mayor tiempo posible. Una vez que el nodo entra en este estado (Edo = 3) no saldra

de el a menos que su baterıa este por debajo de un umbral de desconexion UD, lo que significa que

la misma no sera suficiente para seguir funcionando adecuadamente. En este caso el nodo pasa a un

estado de desconexion (Edo = -1) en el que para decisiones futuras de enrutamiento ya no sera tomado

en cuenta, ya que se considerara descargado. Vale la pena destacar que siempreUD < UE.

La red se considera activa siempre y cuando el numero de sensores con carga (que pueden estar

dormidos o encendidos en un determinado momento) sea superior a un numeroX que dependera del tipo

de aplicacion para la cual se disene la red.

3.5 Ejemplos ilustrativos

A continuacion se presenta un ejemplo para mostrar las ventajas del esquema planteado en cuanto al

desgaste de baterıa de los nodos de la red WSN.

En la Figura3.2 se muestra una red sencilla, formada por cuatro nodos, incluyendo el sumidero

(sink) que esta directamente conectado a la estacion base. En la configuracion de la izquierda se observa

el enrutamiento bajo un esquema de mınimo numero de saltos, en el que los nodos se encuentran

siempre activos (arriba) y con la radio encendida. Se puede observarque el nodoID1 manda sus datos,

pero tambien recibe los del nodoID3 y los reenvıa. En el ejemplo, debido a que los nodos se encuentran

encendidos de manera permanente, despues de cierto tiempo la baterıa del nodoID2 se ha descargado

(abajo), y en este momento se pierde la conexion del nodoID3. Podrıa entonces establecerse una nueva

ruta de envıo de mensajes del nodoID3 a traves del nodoID1, para mantenerlo conectado a la red.

En cambio, al utilizar el esquema activo desarrollado en este trabajo (Figura 3.2derecha) se permite

que los nodos puedan permanecer dormidos (modo inactivo), como se observa en la configuracion de

la derecha, donde los nodos que no estan funcionando como enrutadores se mantienen con el radio


Figura 3.2: Comparacion entre protocolos basados en mınimo numero de saltos y en esquema Coste-Recompensa

apagado siempre que no tengan que transmitir un mensaje propio, logrando de esta manera un ahorro de

energıa. Bajo este esquema, se muestra en la Tabla3.2 la configuracion inicial del estado de los nodos y

el nodo padre de cada uno.

Nodo 1 2 3 4Estado inicial 1 2 2 1Nodo padre 4 4 1 0

Tabla 3.2: Estados iniciales de los nodos

La estacion base cada cierto tiempo evalua las condiciones energeticas de la red para reorganizar

las rutas, por tanto se puede lograr un desgaste mas uniforme de las baterıas de los nodos, ya que si

en el momento de la evaluacion, un nodo tiene una carga baja de baterıa, entrara en modo inactivo,

disminuyendo su consumo de potencia al maximo. Ası, los mensajes que antes se enviaban a traves de

el, ahora seguiran otra ruta, balanceando de esta manera el desgaste energetico de todos los nodos, y

alargando en consecuencia el tiempo de vida de la red.

En el estado actual de la red del Ejemplo, para el proceso de evaluacion de posibles acciones, los

nodos cuyo Estado=2 se encuentran potencialmente activos; se colocanen este estado solo porque nadie

3.5 Ejemplos ilustrativos 25

enruta mensajes a traves de ellos y de esa manera ahorran energıa. Ası, las posibles acciones a partir de

ese estado, son descativar o no alguno de los nodos, como se muestra enla Tabla3.3

Nodo 1 2 3 4Estado actual 1 2 2 1

Accion a 1 1 1 1Accion b 0 1 1 1Accion c 1 0 1 1Accion d 1 1 0 1Accion e 1 1 1 0

Tabla 3.3: Posibles acciones a tomar

La posible accion a consiste en dejar la red tal como esta. Al realizar la prediccion a partir de una

funcion objetivoJ disenada con la intencion de conseguir un desgaste uniforme de las baterıas de los

nodos, el nivel de baterıa del nodo ID1 sera mucho menor que el del resto de los nodos, por lo que

seguramente el valor deJ obtenido para esta accion sera bajo.

La accioneconsiste en desactivar elunico nodo que tiene conexion con la BS, por lo que el valor de

J que se obtiene con esta accion sera el menor posible, ya que de tomarse esa decision la red quedarıa

desconectada.

Las accionesc y d no ofrecen mayores diferencias respecto al estado actual, ya los mensajes al

calcular las rutas seguirıan enrutandose a traves del nodo ID1, por lo que la funcion J tendra un valor

similar al de la accion a.

Por ultimo la accion b desactiva el nodo ID1, por lo que los mensajes de ID3 se enrutarıan a traves

de ID2. En este caso en la prediccion el nodo ID1 tendrıa un desgaste de baterıa mınimo, mientras que el

nodo ID2 presentarıa el mayor desgaste para el siguiente instante. En base al criterio mencionado antes

para definirJ, esta serıa la accion cuyo valor serıa mayor. Una vez seleccionada esta accion, en vista de

que por el nodo ID3 no se enrutan mensajes,este se colocarıa en Estado=2, quedando el estado de todos

los nodos como se muestra en la Tabla3.4.


Nodo 1 2 3 4Estado siguiente 0 1 2 1

Tabla 3.4: Estados de los nodos luego del proceso de evaluacion de la red y actualizacion de rutas

3.6 Funciones objetivo

Para el desarrollo de este trabajo se escogieron cuatro funciones objetivo diferentes, con la intencion

de evaluar el comportamiento de la red para cada una de ellas. Como el puntodebil de la red es la baterıa

de los nodos, todas las funciones se escogieron en base a los niveles de baterıa obtenidos luego de estimar

el consumo energetico de los nodos en cada transmision para cada posible configuracion. A continuacion

se describen las funciones utilizadas:

J1 = MinB

J2 =N

∑

i=1

Batnofi

N(3.1)

J3 =MinB

MaxB

J4 =MaxB

MaxB − MinB

donde

• MaxB: Estimacion del valor mas alto de baterıa entre todos los nodos despues de transmitir bajo la

topologıa a evaluar

• MinB: Estimacion del valor mas bajo de baterıa entre todos los nodos despues de transmitir bajo

la topologıa a evaluar

• Batnofi: Estimacion del nivel de baterıa del nodo i-esimo despues de transmitir bajo la topologıa

a evaluar

• N: Numero total de nodos

La funcionJ1 representa el nivel mas bajo de baterıa que habra en la red en la estimacion a realizar.

De acuerdo con esto, si se quiere maximizar el tiempo de vida de los nodos, mientras este valor sea

mayor se garantiza que ese tiempo de vida sera mayor tambien. El rango de esta funcion se encuentra

3.7 Conclusiones 27

entre [0,BatInicial], siendoBatInicial el nivel de baterıa inicial del nodo cuyo nivel sea el mas alto.

En el caso de la funcion J2, esta definida como el nivel de baterıa promedio para la estimacion.

Si se quiere lograr un desgaste uniforme de baterıas, pero al mismo tiempo minimizar el consumo de

los nodos, al maximizar esta funcion se toman en cuenta estos dos aspectos, logrando tambien de esta

manera maximizar el tiempo de vida de la red. Los valores de esta funcion se encuentran en el intervalo

[0,BatInicial],igual que en la funcion anterior.

Para la funcion J3 se plantea un intervalo [0,1], teniendo como peor caso aquel en el que un nodo

este completamente descargado, y como caso idealese en el que todos los nodos tienen exactamente la

misma carga en las baterıas, en cuyo caso el valor de la funcion es maximo.

Por ultimo, J4 se plantea con un intervalo no acotado en[1,∞), donde se premia la existencia de

una diferencia pequena entre los niveles de baterıa maximo y mınimo para la prediccion, maximizando

la funcion a medida que ese valor disminuye.

3.7 Conclusiones

El metodo desarrollado en este trabajo busca optimizar una funcion objetivo, con la finalidad de

obtener un comportamiento de la red de acuerdo a las caracterısticas de esa funcion. Para lograr esto la

BS realiza una evaluacion periodica del estado de una red, estudiando el universo de acciones posibles

(activar o desactivar un nodo como enrutador) en un instante de tiempo determinado, y prediciendo el

desempeno de la red para cada posible accion, a partir de la evaluacion de la funcion objetivo. La accion

cuya evaluacion obtenga el mejor desempeno sera la escogida por la BS. Seguidamente, se calculan las

nuevas rutas a partir de un algoritmo de mınimo numero de saltos. La BS manda la informacion de la

actualizacion de rutas a la red, que a partir de ese momento funcionara en el nuevo estado elegido.

En este capıtulo se describio de manera general el metodo desarrollado. En el siguiente capıtulo se

describira la implementacion del protocolo.

Capıtulo 4Implementacion

4.1 Introduccion

En este capıtulo se describe la implementacion del protocolo de rutado propuesto en este de Trabajo

de Fin de Master. Para ello se supone una aplicacion donde la red WSN se emplea para monitorizacion.

Por tanto, se establece que la mision de la red es hacer accesible por la estacion base (BS) las medidas

tomadas de forma periodica por cada uno de los nodos de la red.

En las Seccion 4.2 se plantea el esquema general de la implementacion realizada, donde se descri-

ben las hipotesis de las cuales se parte, las diferentes funcionalidades contempladas, ası como tambien

los diferentes tipos de mensajes que se intercambian y los diferentes modos defuncionamiento de los

nodos. En la Seccion 4.3 se detalla el proceso de rutado. Finalmente, en la Seccion 4.4 se describe el

simulador desarrollado en MATLAB para la implementacion del protocolo. Porultimo se establecen las

conclusiones.

4.2 Esquema general

En el desarrollo de este trabajo, se asume que la red realiza un proceso de monitorizacion, el cual

se quiere mantener activo durante el mayor tiempo posible. Para esto se parte de unas hipotesis que se

asumen para la red con la que se quiere trabajar:

• La red tiene solo una estacion base (BS). Todos los mensajes provenientes de todos los nodos de

la red WSN tienen como destino final esa BS

• Todos los nodos de la red WSN contienen sensores, por lo que todos generan informacion que

29

30 CAPITULO 4. IMPLEMENTACI ON

desean transmitir a la estacion base.

• Todos los nodos pueden medir su nivel de baterıa, el cual transmitiran periodicamente a la estacion

base

• Todos los nodos tienen la capacidad de mantenerse en estado de bajo consumo de energıa (dor-

mido), y salir del mismo para tomar su medicion y enviar el mensaje a la red.

• Todos los nodos de la red tienen la capacidad de despertar a otro nodo deser necesario

• La estacion base conoce la ubicacion y las caracterısticas (identificadores, rango de transmision,

consumos de potencia) de todos los nodos que conforman la red WSN. Se asumen alcance y

modelos de consumo energetico realistas.

El metodo de rutado desarrollado se implementa en una red WSN donde el enrutamiento es realizado

de manera centralizada por la estacion base. La BS calcula de forma periodica las rutas de la red WSN,

partir de la optimizacion de una funcion objetivoJ. Para esto selecciona entre un universo existente de

posibles acciones a tomar en el momento en que se realiza la evaluacion, que consisten en activar o

desactivar un nodo para el rutado. Se predice el comportamiento de la red para cada posible accion y se

selecciona la que maximice la funcion objetivo.

Se trabaja con un enfoque de tipogreedy, definiendose la funcion objetivo en funcion del estado de

la red en el siguiente instante de tiempo (o en el instante de la proxima evaluacion). Ası, debido a que

se quieren mejorar las restricciones energeticas de la red, las predicciones se realizan en funcion del

consumo energetico que tendran los nodos si se toma una u otra accion.

Para la evaluacion de la red y la actualizacion las rutas, el metodo propuesto define unTeval, que

consiste el intervalo entre evaluaciones consecutivas de la red. El ajuste adecuado de este parametro

puede modificar considerablemente el comportamiento de la red. Si el valor es muy alto, transcurrira

mucho tiempo entre una evaluacion y la siguiente, pudiendo descargarse algun nodo antes de que la BS

pueda tomar la decision de desactivarlo. Por otro lado, si el valor deTeval es muy pequeno se puede

sobrecargar la red con mensajes, lo cual ocasionarıa perdida de informacion.

En el metodo desarrollado la red WSN realiza dos funcionalidades principales:

4.2 Esquema general 31

1. Monitorizaci on: Esta actividad se realiza por parte de todos los nodos de la red de manera

periodica, de acuerdo con su tiempo de medicion asignado, que podra o no ser igual al de los

demas nodos. El sensor toma la medida de la variable que se esta monitorizando y se genera en el

nodo un mensaje que es enviado inmediatamente a la BS por la ruta establecida.

2. Rutado: Esta funcionalidad contempla varias acciones:

(a) El establecimiento de la configuracion inicial de las rutas, las cuales se calculan en la estacion

base, a partir de las condiciones iniciales de la red.

(b) La actualizacion de rutas, que se realiza de manera periodica en la BS, y que establece las

modificaciones a realizar en la configuracion de la red para que su desempeno sea el mas

adecuado, con miras a alargar el tiempo de vida de la misma

(c) La actualizacion de los estados de los nodos, donde se contempla que los nodos

periodicamente le enviaran informacion sobre su nivel de baterıa y estado (activo o inactivo)

a la BS

4.2.1 Tipos de mensajes

El protocolo de enrutamiento trabaja en funcion de dos tipos generales de mensajes: los de monito-

rizacion y los de rutado. A continuacion se describen las estructuras de cada tipo de mensaje.

Mensajes de monitorizacion

Son mensajes de tipoMsj Mnt y se transmiten desde los nodos hacia la BS. Los campos de estos

mensajes son el codigo que define el tipo de mensaje que se envıa, el identificador del nodo origen, el

identificador del nodo destino (nodo padre) y la informacion asociada a la medicion. La estructura de

estos mensajes es la mostrada en la Tabla4.1.

Msj Mnt ID Origen ID Destino Medidas

Tabla 4.1: Estructura de mensajes tipoMsj Mnt

Mensajes de rutado

Para ejecutar las tareas de rutado descritas anteriormente, se utilizan cincotipos de mensajes,

cada uno con una estructura diferente. La estructura de todos los mensajes de rutado se muestran a


continuacion:

Msj Ri No Sec Padre ID1 Padre ID2 ... Padre IDn

Tabla 4.2: Estructura deMsj Ri

Msj Ei No Sec Estado ID1 Estado ID2 ... Estado IDn

Tabla 4.3: Estructura deMsj Ei

Msj Rn No Sec Info Nodo x Info Nodo y ... Info Nodo z

Tabla 4.4: Estructura deMsj Rn

Msj S ID Origen ID Destino Baterıa Estado

Tabla 4.5: Estructura deMsj S

1. Mensaje de rutas iniciales (Msj Ri): La BS envıa este tipo de mensajes solo una vez, para

establecer la configuracion inicial de la red; lo transmite por difusion a toda la red, con la informacion

concerniente a las rutas iniciales que se estableceran. Contiene el nodo padre asignado a cada uno de

los nodos de la red. Los campos del mensaje son como se muestran en la Tabla4.2. El segundo campo

indica el numero de secuencia, que sirve para evitar el envıo duplicado de paquetes, evitando ası bucles

infinitos de reenvıo de mensajes en la red.

2. Mensaje de estados iniciales (Msj Ei): Inmediatamente despues de enviar el mensaje de tipo

Msj Ei, la BS envıa otro mensaje con las mismas caracterısticas, pero con informacion del estado en

el que se mantendra cada nodo. La estructura es la de la Tabla4.3. Esta informacion se envıa aparte,

para garantizar que los nodos recibieron su informacion de rutado antes de que alguno pueda cambiar su

modo a inactivo, evitando ası la perdida de datos.

A partir de este momento los nodos se mantendran en el modo de energıa que les corresponda (ver

Tabla3.1), de acuerdo con la informacion de estado recibida.

4.2 Esquema general 33

3. Mensaje de rutas nuevas (Msj Rn): Este tipo de mensajes se genera despues de cada evaluacion

que la BS realiza sobre la red, para actualizar las rutas. Tambien es enviado por la BS a toda la red, por

medio de difusion, y contiene solo la informacion de actualizacion de rutas y estados de los nodos de la

red, determinada a partir del metodo propuesto en el Capıtulo 3.

La estructura de estos mensajes se puede observar en la Tabla4.4. El mensaje contiene la in-

formacion actualizada para cada nodo que sufra algun cambio. Dentro de los campos asociados a la

informacion de cada nodo, se tendran los datos de la Tabla4.6.

IDNodo Estado ID Padre

Tabla 4.6: Formato de CampoInfo Nodo

4. Mensaje de estado (Msj S): Este tipo de mensajes es enviado de manera periodica desde cada

nodo hacia la estacion base, siguiendo las rutas establecidas por la misma. Contienen informacion

relativa al estado y nivel de baterıa de los nodos, de manera de garantizar que la BS tenga informacion

actualizada de los mismos en todo momento. La estructura de estos mensajes se encuentra en la Tabla

4.5. El mensaje contiene el identificador del nodo donde se origina el mensajey el de su padre, el nivel

de baterıa y el estado en que se encuentra el nodo al momento de enviar el mensaje.

5. Mensajes de encendido (Msj Act): Este mensaje solo se envıa a un nodo sieste se encuentra dor-

mido. Es transmitido a traves de su nodo padre, con la finalidad de despertarlo para recibir informacion

nueva de rutado. Para que el nodo que se encuentra dormido reciba estos mensajes, se han desarrollado

diferentes tecnologıas y esquemas [41, 42, 43, 44, 45].

4.2.2 Activacion de nodos

Todos los nodos de la red funcionan como sensores, y pueden estar enalguno de los siguientes

modos:

• Activo: Un nodo que se encuentra en este modo funciona como sensor y como enrutador. En este

caso el nodo siempre esta encendido, por lo que ademas de enviar sus propios mensajes es capaz

de recibir y retransmitir los mensajes enviados por otros nodos.


• Inactivo: El nodo se encuentra en modo de baja energıa (modosleep), por lo que solo despertara

para enviar los mensajes queel mismo genere, mientras que el resto del tiempo su radio se man-

tendra apagada. Un nodo puede encontrarse en este estado debido a tres circunstancias posibles:

– A partir del esquema de Coste-Recompensa se decidio que la mejor opcion en ese momento

era mantenerlo en ese modo.

– Al establecerse el rutado, el nodo queda en una hoja delarbol de rutas, por lo que ningun

otro nodo enruta a traves deel. Debido a esto, es mejor mantenerlo en baja energıa.

– Si la baterıa del nodo se encuentra por debajo del umbral de enrutamiento, se toma la decision

de llevarlo a este modo con la intencion de alargar la vida del nodo

• Apagado: Esto ocurre cuando el nodo se encuentra descargado, es decir no tiene baterıa suficiente

para transmitir mensajes.

El modo de trabajo de cada nodo se establece a partir del calculo del rutado que hace la estacion

base. Ası, en los mensajes de tipoMsj Ri, Msj Ei y Msj Rn la BS transmite a cada nodo la informacion

asociada a su estado y rutas.

4.3 Metodo de rutado

En este trabajo es necesario que la estacion base tenga en todo momento informacion actualizada de

los niveles de baterıa de los nodos, ası como de los estados en que se puedan encontrar en cada momento.

En un principio la BS realiza un calculo de rutas, por un metodo de mınimo numero de saltos ([40]),

con la intencion de obtener las rutas iniciales de los mensajes. Se envıa entonces un primer mensaje tipo

Msj Ri por difusion a toda la red, con la informacion de los padres para cada nodo. A continuacion se

envıa un segundo mensaje tipoMsj Ei con la informacion sobre el modo de trabajo que asumira cada

nodo (ver Tabla3.1), esto con la intencion de garantizar la llegada de toda la informacion de rutado

antes de mandar a algun nodo a dormir .

La BS de manera periodica evalua, en base a la informacion actualizada sobre el estado de los

nodos, el estado de la red, con la finalidad de actualizar las rutas de los mensajes. Para esto se evalua

la funcion objetivoJ (ver Seccion 3.6) para el universo de acciones posibles en el instante actual. Las

posibles acciones consisten en la activacion o desactivacion de un nodo para el rutado. Se simula el

4.3 Metodo de rutado 35

comportamiento de la red durante el siguiente periodo para la accion posible a evaluar, y en base a los

resultados obtenidos del desgaste de los nodos para ese periodo se evalua J. Ası, una vez obtenidos

los valores deJ para todo el universo de acciones posibles, se escoge aquella cuyo valor de la funcion

objetivo sea el mas alto.

Seguidamente, la BS envıa por medio de difusion un mensaje tipoMsj Rn con las actualizaciones de

estados y rutas. Este mensaje al llegar a los nodos es retransmitido una vez por cada uno de ellos a toda

la red, con la intencion de garantizar que el mensaje llegue a todos.

4.3.1 Difusion de mensajes de rutas

Existen dos situaciones para la transmision de los mensajes de rutas. La primera es el envıo de los

mensajes iniciales, para lo cual se asume que todos los nodos estan activos. La segunda consiste en el

envıo de la informacion de actualizacion de rutas, que ocurre cada vez que la BS realiza una evaluacion

del estado de la red.

En el primer caso, y para garantizar que todos los nodos recibiran la informacion completa de rutado,

primero se envıa el mensaje de tipoMsj Ri, donde se asignan las rutas de todos los nodos. Este mensaje

se transmite por difusion, por lo que para evitar lazos de reenvıo, el mensaje lleva un campoN◦Sec.que

lo identifica. Ası, si un nodo recibe este mensaje y la secuencia delultimo mensaje de este tipo recibido

por el es diferente, lo gestiona y retransmite a la red. Si por el contrario, la secuencia del mensaje

recibido es igual que la delultimo mensaje de ese tipo recibido porel, lo descarta sin retransmitirlo.

Una vez que los nodos tienen su informacion de rutado, la BS envıa un mensaje de tipoMsj Ei con

el estado de cada nodo. Este mensaje se transmite de la misma manera que el anterior, tomando cada

nodo en consideracion el numero de secuencia para retransmitir el mensaje. Al recibir esta informacion

cada nodo empezara a trabajar en modo activo o inactivo, segun la informacion de estado que haya

recibido.

Para el segundo caso, la BS despues de evaluar la red y calcular las nuevas rutas, mandara un mensaje

de tipoMsj Rn, que contendra solo la informacion a actualizar, tanto de rutas como de estado de los

nodos. Estos mensajes se transmiten bajo las mismas condiciones (difusion, numero de secuencia) que

los ya descritos. Si un nodo que se encuentra inactivo debe actualizar su informacion, el nodo que actuaba


como padre antes de esta nueva actualizacion, enviara un mensaje al nodo dormido para despertarlo, de

manera que pueda recibir la informacion. Para esto, los nodos construyen siempre que reciben mensajes

de otros nodos, una tabla de vecinos, conociendo ası quienes son sus nodos hijos.

4.4 Simulador

4.4.1 Introduccion

Para el desarrollo del protocolo se planteo inicialmente trabajar con un simulador de redes WSN

que fuera ampliamente utilizado, con el que se hubieran obtenido resultadossatisfactorios en trabajos

ya desarrollados. En esta busqueda se selecciono el Castalia [46]. Se trata de un simulador de redes

inalambricas de sensores (WSN), redes inalambricas dearea corporal (WBAN), y en general para redes

de dispositivos integrados de baja potencia. Esta basado en la plataforma OMNeT++ y trabaja con

modelos de radio y canales inalambricos realistas. Las principales caracterısticas de Castalia son las

siguientes:

• Modelos avanzados de canal, basados en datos medidos empıricamente

• Modelos avanzados de radio basados en radios reales para comunicaciones de baja potencia

• Modelado extendido de sensado (ruido del dispositivo, bias y consumo de potencia)

• Sincronizacion del reloj de nodo, consumo de potencia del CPU

• Disponibilidad de protocolos de rutado y MAC

• Esta disenado para adaptacion y expansion

Castalia fue disenado desde el principio de manera que los usuarios pudiesen implementar/importar

facilmente sus algoritmos y protocolos en Castalia aprovechando las caracterısticas que provee el

simulador.

En vista de las prestaciones del Castalia, inicialmente se escogio este simulador. Sin embargo se

investigo sobre las diferentesareas de aplicacion, y se comprobo que no existen muchos desarrollos

por parte de los usuarios de Castalia en elarea de enrutamiento, por lo que muchas funciones no estan

depuradas. Los mayores esfuerzos se han hecho en las capas de aplicacion y red. Se consultaron algunos

4.4 Simulador 37

expertos en Castalia, que confirmaron lo expuesto.

Se investigo sobre posibles desarrollos en MATLAB, y se encontraron algunos avances en este

ambito, entre los cuales se pueden mencionar los simuladores RMASE y PROWLER [47, 48], y algunos

desarrollos en Simulink [49]. Se decidio realizar la programacion del metodo propuesto en MATLAB.

Para evaluar el protocolo de manera correcta se tuvo que disenar una plataforma que simulara la comuni-

cacion entre los distintos nodos de la red, ası como el intercambio de mensajes entre ellos, y el desgaste

energetico asociado al funcionamiento de los nodos. En las siguientes seccionesse describen brevemente

los componentes principales de la plataforma de simulacion implementada.

4.4.2 Esquema del simulador

El programa que simula el funcionamiento de la red se puede dividir en un conjunto de procedi-

mientos que se realizan de manera secuencial, dentro de un ciclo que simula lospasos a realizar en cada

instante de simulacion. Basicamente consta de tres etapas: la primera consiste en la configuracion inicial

de la red, la segunda es la simulacion de las funciones que implementa cada uno de los nodos de la red

WSN, con las mediciones, envıo y recepcion de datos, actualizacion de rutas, etc., y porultimo el calculo

estadıstico. En la Figura4.1se muestra un esquema general de la plataforma de simulacion desarrollada.

Los diferentes pasos dentro de las etapas mencionadas se describen con mas detalle a continuacion:

1. Configuracion inicial de la red: Inicialmente se establece la configuracion de la red, que incluye

el establecimiento de la posicion de los nodos, el tipo de nodos a utilizar (en este trabajo se usaron

nodos TelosB), lo cual establece los consumos energeticos asociados a la transmision, recepcion,

medicion y modo de bajo consumo (sleep), ası como del alcance maximo de transmision, los tiem-

pos asociados a la medicion, gestion y transmision del mensaje. Tambien se definen los contadores

que se usaran posteriormente para el calculo de estadısticas relacionadas con el funcionamiento de

la red. Dentro de este paso se realiza el intercambio inicial de mensajes entrela estacion base y los

nodos, donde se establece el enrutamiento inicial a seguir.

2. Medicion: Se asume que todos los nodos pueden tener intervalos diferentes para realizar sus

mediciones. En este sentido, la subrutina que contempla la medicion incluye un contador por

nodo, que determina en que instante de simulacion (Tsim) se toma la medida de ese nodo. Cada

contador aumenta su valor en ”1” en cadaTsim transcurrido. Cuando el contador de un nodo llega

al valor de su intervalo de medicion, entonces se genera la medida. Seguidamente se reinicia el


Fin

InicioC o n f i g u r a c ión inicial

de la red WSN

Toma medida y envía

mensajeR e c e p c ión y retransmisión

de mensajesR e c e p c ión de

mensajes p o r l a B SG e s t i

ón de energía de

nodos

Evaluación y

actualización de rutas

Estadísticas

t = t + 1t =Teval

A c t i v así

sí

sí

no

no

Figura 4.1: Esquema del Simulador programado en MATLAB

contador. En este momento se genera el mensaje que enviara el nodo, como se describio en las

secciones anteriores de este capıtulo, para lo cual se calcula el desgaste de la baterıa del nodo luego

de realizar la medicion.

3. Recoleccion de datos: Los mensajes enviados al medio se almacenan en una tabla. Una vez

4.4 Simulador 39

pasado el proceso de medicion, cada nodo revisa el canal buscando algun mensaje parael. De haber

alguno, el nodo recibe el mensaje, lo gestiona y lo retransmite a su nodo padre. Esto desde el punto

de vista de la programacion representa un nuevo mensaje a colocar en la tabla, que es el mismo

anterior pero con el tiempo de reenvıo, los nodos origen y destino actualizados. Este proceso se

repite siempre que haya mensajes en la tabla cuyo destino final sea diferentea la estacion base. En

este proceso cada nodo ademas construye una Tabla de Vecinos, formada por los nodos de quienes

el recibe mensajes, es decir, por sus nodos hijos.

4. Recepcion de datos por la estacion base:La BS revisa el canal en busca de mensajes que esten

dirigidos a ella. Recibe estos mensajes y los almacena en una tabla de MensajesRecibidos.

5. Gestion de energıa de nodos: Luego de la medicion, transmision y reenvıo de mensajes, se

calcula el desgaste energetico de cada nodo al final de cadaTsim. Para esto se toma en cuenta que

puede haber dos tipos de nodos, los que solo miden y transmiten sus mensajes, y los que ademas

enrutan los mensajes provenientes de otros nodos. En el conjunto de Ec.(4.1) se observan las

definiciones de los tiempos y desgastes energeticos,para los nodos en modo inactivo (Estados 0, 2

y 3), y los nodos activos (Estado 1).

TidleNodo0,2,3= Tsim − tmed − tTx

ConsumoNodo0,2,3= TsimPcpu + tmedPM + tTx ∗ PTx + TidlePsleep (4.1)

TidleNodo0,2,3= Tsim − tmed − tTx

ConsumoNodo1= TsimPcpu + tmedPM + tTxPTx + TidlePRx

Tidle representa el tiempo ocioso para cada nodo,tmed es el tiempo que tarda un nodo en realizar

la medicion,tTx es el tiempo que emplea cada nodo en transmitir su propio mensaje y retransmitir

los mensajes provenientes de otros nodos. Las potencias sonPcpu (potencia del procesador del

nodo),PM (potencia de medicion), PTx (potencia de transmision), Psleep (potencia del nodo en

modo ahorro de energıa) yPRx (potencia de recepcion). En este paso tambien se evalua si un nodo

esta por debajo del umbral de desconexion, que garantiza la transmision de sus mensajes, entonces

su Estado se cambia a ”-1”, y se recalculan las rutas, excluyendo al nodo, ya que se asume que no

sera capaz de seguir enviando sus mensajes.

6. Evaluacion y actualizacion de rutas: Esta fase se realiza de manera periodica, con un periodo

igual aTeval. La BS realiza una evaluacion del estado de la red siguiendo los pasos descritos en


la seccion 4.3. Para esto, se busca en la tabla de Mensajes Recibidos de tipoMsj Edo el ultimo

mensaje proveniente de cada nodo, ya que es el que contiene el valor mas actualizado de su nivel de

Baterıa. En base a este dato, y al del Estado del nodo, se realiza la evaluacion. Una vez obtenidas

las nuevas rutas,la BS envıa los mensajes de actualizacion, con la nueva informacion del estado y

nodos padre de cada nodo. En esta etapa y antes de realizar la evaluacion de la red, se verifica si

algun nodo esta por debajo del umbral de enrutamiento, si es ası se coloca su Estado en ”3” y se le

niega al nodo de manera definitiva la posibilidad de trabajar como enrutador, con la idea de alargar

su tiempo de vida.

7. Datos para estadısticas: Existen varios parametros que se almacenan en ficheros durante la si-

mulacion, con la intencion de al final de la misma poder sacar estadısticas asociadas al funcio-

namiento del metodo. Entre estos parametros se pueden mencionar: No de mensajes generados,

No de mensajes perdidos,% Mensajes recibidos por el sink, retardo promediode los mensajes, No

nodos activos en funcion del tiempo, entre otros. Las graficas asociadas a estas estadısticas se

generan una vez terminada la simulacion.

El simulador ademas permite configurar otros parametros al momento de definir la red, como son el tipo

de nodos con el que se quiere trabajar, sus modelos energeticos (potencias de transmision, recepcion,

etc.), ası como tambien parametros asociados al medio de transmision radioelectrico tales como el PRR.

Igualmente permite modificar los niveles de baterıa de los nodos, la configuracion de la red se puede

establecer a partir de un fichero de texto, o incluso de manera aleatoria desde el mismo simulador.

4.4.3 Simulador del medio radioelectrico

En este simulador el espacio radioelectrico se simula mediante un espacio de memoria, en la cual

se van introduciendo los mensajes en el orden en que se van generando. Los mensajes introducidos

en dicha tabla, ademas de tener la informacion correspondiente a cada tipo de mensajes definido en la

Seccion4.2.1, tienen la informacion necesaria para gestionar el envıo, recepcion y duracion del mensaje

en el espacio radioelectrico. Esta informacion corresponde al tiempo en que se transmitio porultima vez

(reenvıo) y al nodo del cual se reenvıa el mensaje.

Durante el proceso de recoleccion de datos los nodos revisan la tabla para ver si hay algun mensaje

para ellos. El tiempo descrito arriba se utiliza para conocer el tiempo de vida del mensaje en el canal.

4.4 Simulador 41

Siempre que un nodo revisa la tabla y encuentra un mensaje parael, antes de gestionar la recepcion

primero se verifica si el mensaje aun se encuentra en el canal, es decir si la diferencia entre el tiempo

actual y el tiempo en que se reenvio por ultima vez es menor que el tiempo de vida del mensaje en el

canal. Si es ası, entonces se gestiona la recepcion del mensaje a traves del PRR (ver Ec. (4.2)). Para esto

se necesita conocer el nodo del cual se reenvıa el mensaje, con la intencion de determinar la distancia

existente entre el nodo que recibe y el que transmite. En base a esta informacion se simula la recepcion

de este mensaje a partir de la funcion PRR, definida de la siguiente manera:

PRR(d) =

1 si d ≤ d1

m(d − d2) si d1 < d ≤ d2

0 si d > d2

(4.2)

donded es la distancia entre el nodo transmisor y el receptor del mensaje, mientras qued1, d2 y m son

parametros de la curva de PRR, que se definen dependiendo del tipo de radiocon el que se trabaje. Un

ejemplo de curva de PRR se muestra en la siguiente Figura:

d1 d2d

PRR

PRR(d) = m(d-d2)

Figura 4.2: Curva tıpica de PRR

Siempre que se simula la recepcion de un mensaje, se evalua el valor del PRR, y se genera un numero

aleatoriop, cuyo rango sera [0,1], de manera que si se cumple quep ≤ PRR(d) el mensaje es recibido

satisfactoriamente por el nodo, de los contrario ocurre un error en la transmision y el mensaje se pierde.

Si el mensaje es satisfactoriamente recibido por el nodo,este lo gestiona y lo retransmite a su nodo padre.


4.5 Conclusiones

En este capıtulo se presento la implementacion del metodo propuesto en este trabajo. Se detallaron

las funcionalidades contempladas en el metodo, ası como los tipos de mensajes que se intercambian

entre la estacion base y los nodos de la red. Tambien se presento la manera en que la BS realiza la

evaluacion, calculo y actualizacion de rutas. Porultimo se realizo una breve descripcion del simulador

implementado en MATLAB para evaluar el metodo, describiendose las diferentes etapas y prestaciones

del mismo. Ademas se describio la simulacion del espacio radioelectrico. En el capıtulo siguiente se

presentan las simulaciones realizadas y los resultados obtenidos, para validar el metodo propuesto.

Capıtulo 5Simulaciones y resultados

5.1 Introduccion

En este capıtulo se describe la validacion mediante simulaciones del metodo desarrollado y su im-

plementacion en MATLAB. El capıtulo esta estructurado de la siguiente manera: Primero se describe la

simulacion de un ejemplo sencillo paso a paso, para comprender mejor la idea desarrollada y se muestran

los resultados obtenidos en cada paso. Seguidamente se presentan los resultados de diferentes simula-

ciones realizadas para distintas configuraciones de red y diferentes funciones objetivos, con la intencion

evaluar el desempeno de las diferentes redes segun las caracterısticas de las funciones objetivo. Despues

se compara el protocolo desarrollado con el Collection Tree Protocol (CTP) desarrollado en Castalia [50]

y finalmente se presentan las conclusiones del capıtulo.

5.2 Ejemplo paso a paso

En esta seccion se describe un ejemplo sencillo, con una red de 5 nodos cuya distribucion espacial se

observa en la Figura5.1. Se trabaja para el ejemplo con la funcion objetivoJ1, ver Ec. (3.1), y numero

de nodos desconectados permitidos para considerar la red como activa debe ser menor al 10% del total

de nodos de la red, lo que representa para este caso la desconexion del primer nodo. La BS se encuentra

en las coordenadas (0,0). Es importante destacar la correspondencia de colores entre los nodos de las

figuras y sus estados (ya descritos anteriormente en la Tabla3.1), que son como se muestran en la Tabla

5.1.

Inicialmente la BS calcula las rutas por mınimo numero de saltos y envıa los mensajes a todos los

nodos.

43

44 CAPITULO 5. SIMULACIONES Y RESULTADOS

0 5 10 150

2

4

6

8

10

12

14

ID1

ID2

ID3

ID4

ID5

Figura 5.1: Esquema, estados y rutas iniciales de la red

Estado Color

1 Azul0 Magenta2 Verde3 Negro-1 Rojo

Tabla 5.1: Correspondencia entre colores y estados de los nodos

Los mensajes enviados por la BS, siguiendo las estructuras de la Tabla5.2, seran los siguientes:

Msj Ri No Sec Padre ID1 Padre ID2 Padre ID3 Padre ID4 Padre ID5Msj Ri 1 BS BS ID1 ID1 ID1

Msj Ei No Sec Est. ID1 Est. ID2 Est. ID3 Est. ID4 Est. ID5Msj Ei 2 1 2 2 2 2

Tabla 5.2: Mensajes enviados por la BS a la red para el establecimiento inicialde las rutas y estados

Se puede observar para este caso que solo un nodo esta funcionando como enrutador, mientras los

demas se encuentran todos dormidos. Esto significa que el nodo enrutador debe mantenerse encendido

de manera permanente, lo que implica un desgaste energetico mayor que el de los demas nodos, que

solo se encenderan cuando deban realizar una medicion o enviar mensajes a la red. La configuracion

establecida luego del envıo de mensajes es la de la Figura5.2

5.2 Ejemplo paso a paso 45

0 5 10 150

2

4

6

8

10

12

14Nodes routing tree

Figura 5.2: Ruta inicial escogida por la BS

La red se mantiene trabajando bajo esta configuracion hasta el momento en que la BS evalua el

estado energetico de la red, y establece las nuevas rutas y estados de los nodos, a partir de la evaluacion

de la funcion objetivo para todas las acciones posibles.

En este punto, las acciones posibles a tomar, considerando que si los nodos se encuentran en

Estado=2 estan potencialmente activos, seran las siguientes:

Nodo 1 2 3 4 5Estado actual 1 2 2 2 2

Accion a 1 1 1 1 1Accion b 0 1 1 1 1Accion c 1 0 1 1 1Accion d 1 1 0 1 1Accion e 1 1 1 0 1Accion f 1 1 1 1 0

Tabla 5.3: Universo de posibles acciones

Antes de seguir adelante con las evaluaciones es necesario hacer un pequeno analisis. Si un nodo

se encuentra en Estado=2, y la accion a tomar por la red consiste en cambiarlo al Estado=1, las rutas se

mantendran igual que antes y por ese nodo no se enrutara ningun mensaje, por lo que volvera a ponerse

en Estado=2. Si por el contrario, este nodo se cambia al Estado=0, las rutas y el desgaste energetico

seran las mismas que en el estado anterior, ya que desde el punto de vista de rutado, el nodo seguira


estando inactivo. De acuerdo con esto, si se toma alguna de las accionesentrea, c, d, e y f, el resultado

que se obtendra sera el mismo, ya que llevar alguno de los nodos que se encuentra actualmente en

Estado=2 a Estado=0, desde el punto de vista del esgaste energetico, es exactamente igual que dejarlo

como esta.

En este sentido, solo habra dos posibles acciones reales a tomar, laa que consiste en dejar la red en

su estado actual, y lab. En la Tabla5.4 se presentan las acciones y el valor deJ obtenido para cada

prediccion realizada.

Nodo 1 2 3 4 5 J

Accion a 1 1 1 1 1 7756.4Accion b 0 1 1 1 1 7830.8

Tabla 5.4: Posibles acciones a tomar

Como se trabajo para el ejemplo conJ = MinB, el valor representa el mınimo nivel de baterıa

que habra para la prediccion. Ası, si se mantiene la red en su estado actual, el nodoID1 seguira

descargandose, teniendo una baterıa mucho menor que el resto de los nodos para la siguiente evaluacion.

Si por el contrario, se desactiva este nodo y se activaID2, la baterıa de este nodo se descargara, pero su

nivel actual es mas alto que el deID1, por lo que para este caso, la prediccion arrojara unMinB mayor

que en el anterior. En definitiva, la accion a tomar sera lab.

Siguiendo nuevamente el formato de los mensajes de la Tabla , se enviara un mensaje solo con la

informacion nueva, mostrado en la Tabla5.5, donde en los campos de informacion de los nodos se

encuentra el IDnodo, su estado y padre, en ese orden.

Msj Rn N◦Sec Info ID1 Info ID2 Info ID3 Info ID4 Info ID5Msj Rn 3 1 0 0 2 1 0 3 2 2 4 2 2 5 2 2

Tabla 5.5: Mensaje enviados por la BS a la red con informacion de actualizacion de configuracion

Las rutas establecidas se muestran en la Figura5.3. Se puede notar que el nodo que antes trabajaba

como enrutador cambio de estado, ya que para ese momento era el que menor nivel de baterıa tenıa de

todos. Se escoge entonces otro nodo enrutador para garantizar la conectividad de la red, quien a partir

de este momento tendra el mayor desgaste energetico hasta la siguiente evaluacion.

5.2 Ejemplo paso a paso 47

0 5 10 150

2

4

6

8

10

12


Figura 5.3: Configuracion obtenida a partir de la evaluacion realizada por la BS

La red sigue trabajando bajo esta configuracion hasta la siguiente evaluacion, donde la BS decide la

nueva configuracion, de acuerdo con el proceso ya descrito. Este proceso se repite demanera periodica,

intentando siempre mantener la carga de las baterıas de los nodos balanceadas, hasta que el numero

de nodos desgastados alcance el maximo permitido, de acuerdo con la aplicacion que se tenga. La

configuracion final para este ejemplo, justo en el momento en que se termina la simulacion es la que se

encuentra en la Figura5.4, donde se observan en rojo el nodo cuya energıa ya no es suficiente ni siquiera

para transmitir sus propios mensajes.

La descarga de las baterıas se muestra en la Figura5.5. De acuerdo con la la leyenda se muestra la

energıa en los nodos 1, 2 y 3, aunque los nodos 4 y 5 al terminar la simulacion tienen la misma cantidad

de energıa que el nodo 3. Se puede notar como los nodos 1 y 2 son los que sufren el mayor desgaste,

debido a que los mensajes de los otros tres nodos deben pasar obligatoriamente por alguno de ellos, por

lo que siempre al menos uno de ellos debera permanecer activo como enrutador. Se puede ver tambien

que el nodo 2 inicialmente tuvo el mayor desgaste, sin embargo el metodo prevee una situacion similar y

por eso plantea el umbral de enrutamiento. Se ve como en el momento que este nodo alcanza el umbral

de enrutamiento es condenado a trabajar solo enviando sus mensajes, sin enrutar mensajes de otros.

A partir de este momento, pasa a modo inactivo por lo que su desgaste sera mucho menor que el del

nodo 1. Esto se observa bien en la Figura, ya que a partir de ese momento eldecaimiento de su curva


0 5 10 150

2

4

6

8

10

12


Figura 5.4: Configuracion final de la red WSN

de energıa es practicamente nulo respecto al del nodo 2, que a partir de este momento se mantendra

enrutando los mensajes de los demas nodos. Justo en el momento en que el nodo 2 alcanza su umbral de

enrutamiento, el nodo 1 llega al umbral de desconexion.

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 104

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

tiempo(s)

Niv

el d

e en

ergí

a (J

)

Energía en los nodos durante la simulación

ID1ID2ID3Prom

Figura 5.5: Niveles de baterıa en los nodos y baterıa promedio, en funcion del tiempo

Para la simulacion realizadaTeval = 1200. Si se ajusta este parametro disminuyendo su valor se

puede conseguir un desgaste mas uniforme de la baterıa de los dos nodos que trabajan como enrutadores,

ya que su alternancia en este rol se realizara mas

5.3 Evaluacion con diferentes funciones objetivo 49

5.3 Evaluacion con diferentes funciones objetivo

5.3.1 Topologıas aleatorias

Con la intencion de evaluar las prestaciones de las diferentes funciones objetivos seleccionadas, se

realizaron varias simulaciones, de redes con diferentes caracterısticas, para cada funcion objetivo, de

acuerdo con Ec. (5.1).

J1 = MinB

J2 =

N∑

i=1

Batnofi

N(5.1)

J3 =MinB

MaxB

J4 =MaxB

MaxB − MinB

Se realizaron 20 simulaciones para topologıas aleatorias de redes todas con un total de 51 nodos.

Cada configuracion se simulo para todas las funciones objetivoJ; posteriormente se promediaron los

resultados obtenidos para todas las redes para cadaJi. Se realizo una grafica, especıficamente para el

numero de nodos activos en las redes a lo largo de la simulacion. La Figura5.6 muestra las curvas

promedio para cada funcion objetivo.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 105

40

42

44

46

48

50

52

tiempo (s)

Núm

ero

de n

odos

con

ene

rgía

N° de nodos activos para las diferentes funciones objetivo

J1J2J3J4

Figura 5.6: Nodos activos para todas las J, durante la simulacion

Se puede decir que la curva resultante para la funcion J3 mantiene durante mas tiempo la mayor

cantidad de nodos activos, decayendo despues de manera mas abrupta que las demas. Por otro lado, la


curva asociada aJ2 es la que muestra una desactivacion de nodos primero, aunque se mantiene activa

por mas tiempo que las otras. Teniendo en cuenta que siempre es mejor que todos losnodos esten

activos durante la mayor cantidad de tiempo, porque se garantiza el envıo de todos los mensajes de

datos, se puede concluir que la curva paraJ3 es la mejor en este caso.

5.3.2 Evaluacion con topologıas distintas

Seguidamente, para evaluar el comportamiento de la red bajo las diferentes funciones objetivos, para

distintos topologıas de red, se plantearon 4 tipos de configuracion, de acuerdo con la densidad de nodos.

Se realizaron para cada tipo de red 15 simulaciones con cada funcion objetivo.

1. Aleatoria, con baja densidad de nodos

2. Red con alta densidad de nodos en los extremos mas alejados de la BS

3. Red con alta densidad de nodos cerca y lejos de la BS, baja densidad enel centro de la red

4. Red con alta densidad de nodos en todo el espacio

A continuacion se muestran los resultados de las simulaciones para una topologıa de red de cada tipo

de configuracion.

Topologıa tipo 1

Para este caso se presenta la simulacion que se hizo a partir de la red que se muestra en la Figura

5.7, con 51 nodos. Las curvas resultantes obtenidas para todas las funciones objetivos se presentan en la

Figura5.8

En base a lo expuesto en la seccion anterior se puede decir que para este tipo de configuracion con

pocos nodos, aleatoria, la funcionJ3 es la que presenta el mejor desempeno.

Topologıa tipo 2

A continuacion se muestra la simulacion de una red con una mayor densidad de nodos en los

extremos mas alejados de la BS, como se muestra en la Figura5.9, con 80 nodos. Las curvas obtenidas

para esta simulacion se presentan en la Figura5.10.


0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70


Figura 5.7: Topologıa y rutas iniciales para red de tipo 1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 105

38

40

42

44

46

48

50

52

tiempo (s)

Núm

ero

de n

odos

con

bat

ería

N° nodos activos para la Configuración 1

J1J2J3J4

Figura 5.8: Numero de nodos con baterıa para la red de tipo 1, evaluada con todas las funciones objetivo

La curva que representa la simulacion realizada conJ3 se encuentra superpuesta con la deJ1, ya

que tienen un comportamiento identico. Por otro lado la curva asociada aJ2 presenta un resultado

notablemente mejor que todas las demas.

Topologıa tipo 3

Para este caso se muestra una red con 110 nodos, con una alta densidadcerca de la BS y en los

extremos de la red. La topologıa se observa en la Figura5.11, con 110 nodos. En la Figura5.12 se


0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70



0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 105

60

62

64

66

68

70

72

74

76

78

80

tiempo (s)

Núm

ero

de n

odos

con

bat

ería


J1J2J3J4


encuentran los resultados obtenidos para esta simulacion.

Se puede observar para este caso que las curvas de las simulaciones hechas conJ1 y J3 son muy

similares, y su comportamiento es mejor que el de las curvas paraJ2 y J4.


0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70



0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

x 105

85

90

95

100

105

110

tiempo (s)

Núm

ero

de n

odos

con

bat

ería


J1J2J3J4


Topologıa tipo 4

Porultimo se presenta una red de alta densidad de nodos, con 151 nodos en total, cuya topologıa es

la mostrada en la Figura5.13. Las curvas resultantes para todas las funciones objetivo se presentan en la

Figura5.14.

En este caso el comportamiento obtenido para la simulacion realizada conJ2 es notablemente mejor

que para todas las demas, observandose que todas mantienen la totalidad de nodos activa practicamente


0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70



0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 105

115

120

125

130

135

140

145

150

155

tiempo (s)

Núm

ero

de n

odos

con

bat

ería


J1J2J3J4


hasta el mismo momento, siendo despues la tasa de desactivacion de nodos mas lenta paraJ2.

Se puede decir a partir de los resultados obtenidos que la seleccion de una funcion objetivo adecuada,

en el esquema activo utilizado, es importante debido a que segun sus caracterısticas se pueden obtener

mejores resultados para redes con diferentes configuraciones. Se vioen los resultados que para lasJi

escogidas, en generalJ2 logra un mayor tiempo de vida de la red, sin embargo, comienza a perder nodos

en algunos casos antes que las demas. Por otro ladoJ3, salvo en el caso, es laultima en perder su primer

nodo, por lo que mantiene la totalidad de los nodos durante mas tiempo que las demas en funcionamiento.

5.4 Comparacion con Colletion Tree Protocol (CTP) 55

Es importante destacar que las conclusiones mostradas para las topologıas presentadas en esta

seccion, se extienden para todas las simulaciones realizadas.

El criterio para la seleccion de alguna de estasJi o incluso de otras posibles, podrıa estar sujeto al

tipo de aplicacion a desarrollar, el tipo de configuracion de la red e incluso la importancia que tenga en

su funcionamiento mantener la totalidad de los nodos funcionando durante elmayor tiempo posible vs.

maximizar el tiempo de vida de la red.

5.4 Comparacion con Colletion Tree Protocol (CTP)

Con la intencion de validar el protocolo desarrollado se realizaron algunas simulaciones para

comparar el desempeno del mismo con el del CTP, ampliamente utilizado en las redes WSN. Se trabajo a

partir de la version del CTP programada para Castalia. Ası, se hicieron las simulaciones bajo las mismas

condiciones para ambos programas, MATLAB y Castalia, usando los mismos modelos energeticos y de

radio para todas las simulaciones.

Las simulaciones del metodo desarrollado se realizaron todas para la funcion objetivoJ3, a efectos

de la comparacion. En el CTP, por la manera en que trabaja, todos los nodos se desgastan de una manera

muy uniforme, dejando de funcionar practicamente al mismo tiempo todos. Esto se debe a que todos los

nodos se encuentran activos todo el tiempo. Por otro lado, una de las caracterısticas de este trabajo es

que como existe la posibilidad dormir nodos, algunos se desgastaran menos que otros. Los resultados se

presentan en funcion de los niveles de baterıa de los nodos.

Se muestran primero los resultados para la red de la Figura5.15. En la Figura5.16se muestran 4

curvas. Las tres curvas superiores representan el nivel de baterıa del nodo con mas baterıa (Bmax), el

promedio de baterıas de todos los nodos a lo largo de la simulacion (BProm)y la baterıa del nodo con

menos carga (Bmın). Las tres curvas son resultados de la simulacion para el protocolo desarrollado. Por

ultimo la curva inferior (B CTP en la leyenda) representa el nivel de baterıa del nodo con mayor nivel

para la simulacion con el CTP; el nivel promedio y el menor son practicamente iguales por lo que solo

se representa esta curva, debido a que las demas no se diferenciarıan en la Figura.


0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70


Figura 5.15: Topologıa de una red tipo 1

0 2 4 6 8 10 12

x 104

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

tiempo (s)

Niv

el d

e en

ergí

a (J

)

BPromBMínBMáxB CTP

Figura 5.16: Niveles de baterıa para la Topologıa tipo 1

Para esta red y bajo las condiciones de simulacion, solo existen dos nodos cerca de la BS que asumen

toda la carga de todos los mensajes, por lo que el tiempo de vida de la red estara sujeta al desgaste de

estos dos nodos, que deberan alternarse como enrutadores, pero siempre alguno de los dos tendra que

mantenerse activo. En el caso del CTP, todos los nodos estan prendidos siempre, por lo que el desgaste

de estos dos nodos sucedera practicamente de la misma manera en ambos casos. Ası, se puede ver que

el tiempo de simulacion de ambos protocolos es practicamente el mismo.


Se realizo la simulacion de la misma manera para la red de la Figura5.17.

0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70



En la Figura5.18se muestran los resultados, siguiendo la descripcion de la simulacion anterior. Se

puede notar para este caso que aunque la simulacion sigue estando condicionada por los nodos cercanos

a la BS (curva BMın), existen otros nodos, que eventualmente funcionan como enrutadores,pero que

debido a las restricciones del programa, cuando su baterıa esta por debajo del umbral de enrutamiento,

se coloca en modo de baja energıa, por lo que se observa (curva BNodox) como la baterıa empieza a

decaer de manera mas lenta .

Seguidamente se muestra una simulacion para una red con mayor densidad de nodos cercana a la

BS, con la configuracion de la Figura5.19, con la intencion de comparar ambos protocolos bajo estas

condiciones, ya que la restriccion de dos nodos llevando todos los mensajes a la BS no permite ver las

bondades del protocolo desarrollado. En la Figura5.20se muestran los resultados, siguiendo el esquema

ya descrito.

Se puede notar para este caso que, como hay mas nodos con posibilidad de enrutar mensajes

cerca de la BS, ya no existe la limitacion asociada a la baterıa de esos nodos, sino que se puede

jugar con mas posibilidades de rutas. Esto se puede ver mejor en el acercamiento de la Figura

5.21, donde se ve en la curva azul, que el nodo al llegar a un valor (umbral de enrutamiento) se


0 2 4 6 8 10 12

x 104

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

tiempo (s)

Niv

el d

e en

ergí

a (J

)

BMín

BNodox

B CTP

BMáx

BProm


0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70



coloca en modo inactivo, por lo que solo envıa sus datos hasta que en algun momento ya su nivel

de baterıa no es suficiente ni siquiera para eso. A pesar de que el nodo cuya curva se muestra en la

Figura se desgasta antes de finalizar la simulacion, esta no termina hasta que no se cumpla el criterio de

parada, que consiste en el porcentaje de nodos desgastados permitidospara considerar la red como activa.


0 2 4 6 8 10 12 14

x 104

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

tiempo (s)

Niv

el d

e en

ergí

a (J

)

BMínBMáxBPromB CTP


1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6

x 105

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

tiempo (s)

Niv

el d

e en

ergí

a (J

)

Figura 5.21: Detalle de curva CTP y Nodo con menos baterıa del protocolo desarrollado

Por ultimo se realizo la simulacion para una red con alta densidad de nodos, como la mostrada en

la Figura5.22. Las curvas obtenidas para este caso se encuentran en la Figura5.23, donde se observa

como el tiempo de vida de la red con el protocolo desarrollado es mayor que con el CTP.

Si se analizan los resultados obtenidos para las diferentes redes, se puede notar que si la red con

la que se quiere trabajar tiene baja densidad de nodos cerca de la BS, el desempeno del protocolo

desarrollado en este trabajo no tiene mejores prestaciones que el CTP, debido a que esos nodos cercanos

a la BS deberan estar activos la mayor parte del tiempo, limitandose el tiempo de vida de la red al tiempo


0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70



0 2 4 6 8 10 12 14 16

x 104

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Niv

el d

e en

ergí

a (J

)

tiempo (s)

BMáxBMínBPromB CTP


de vida de estos nodos, de igual forma que en el CTP.

Si por el contrario, la red tiene una gran densidad de nodos cerca de laBS, se pueden obtener mejoras

significativas en cuanto a los tiempos de vida de la red. En la Tabla5.4 se muestran los tiempos de

vida de las diferentes redes para cada caso. Se puede ver como los resultados mejores para el metodo

5.5 Conclusiones 61

desarrollado, en los casos donde la densidad de nodos cerca de la BS es alta, mientras que si las redes

tienen densidad baja en esa zona, los resultados para este protocolo se asemejan a los del CTP.

Topologıa Tv CTP Tv del metodo % de Mejora

1 126900s 126900 02 126900s 127900 0.793 126900s 160100s 26.164 126900s 160020 26.1

Tabla 5.6: Tiempos de vida (Tv) de las redes simuladas

5.5 Conclusiones

En este capıtulo se mostraron las simulaciones realizadas y resultados obtenidos para validar el

metodo desarrollado. Inicialmente se realizaron varias simulaciones de redes con configuracion aleatoria

y baja densidad de nodos, para las distintas funciones objetivo definidasen el Capıtulo 3. De igual

manera se simularon redes con alta densidad de nodos lejos de la BS, cercade la BS y en toda la red.

Una vez analizados los diferentes comportamientos obtenidos para las distintas J se realizo un grupo

de simulaciones para redes con configuraciones como las antes definidas, para la funcion J3, y se

compararon con el CTP desarrollado en Castalia. Los resultados obtenidos demuestran que para redes

con una alta densidad de nodos cerca de la BS el metodo desarrollado presenta mejores resultados que el

CTP, incrementando el tiempo de vida de la red en valores alrededor de un 26%, mientras que cuando la

densidad de nodos cerca de la BS es baja, el comportamiento del metodo propuesto se asemeja al del CTP.

En el siguiente capıtulo se presentan las conclusiones obtenidas a partir de este trabajo y se plantean

posibles lıneas de investigacion derivadas del mismo.

Capıtulo 6Conclusiones y desarrollos futuros

6.1 Conclusiones

Este trabajo propone un metodo de enrutamiento que se basa en seleccionar de forma dinamica

los nodos que participan de manera activa en el rutado; tiene capacidad para activar y desactivar la

funcion de rutado de cada nodo, lo cual tiene consecuencias en su consumo energetico. El metodo

periodicamente estima el estado de la red y decide la accion mas conveniente para optimizar una cierta

funcion objetivo. En cada iteracion identifica el conjunto de acciones posibles, predice el estado de la

red y selecciona la accion que maximize esa funcion funcion objetivo.

El metodo trabaja con un enfoque de tipogreedy, lo que significa que en cada paso optimiza una

funcion objetivo que depende del paso siguiente. En este trabajo se eligieron diversas funciones objetivo

basadas en analisis de los niveles de baterıa que persiguen incrementar el tiempo de vida de la red. Se

desarrollaron los algoritmos del metodo, se implementaron en un entorno de simulacion bajo MATLAB y

se evaluo de forma masiva su comportamiento ante diversas configuraciones. Igualmente los resultados

obtenidos se compararon, mostrando una clara superiodad, con los obtenidos mediante el protocolo

Collection Tree Protocol (CTP) [20] bajo Castalia, ampliamente utilizado en las redes WSN.

A partir de los resultados obtenidos se pueden establecer algunas conclusiones:

• El metodo desarrollado en este trabajo plantea la optimizacion de una cierta funcion objetivoJ,

cuyas caracterısticas estan relacionadas con el comportamiento que se desee para la red. En este

sentido el protocolo es versatil, ya que el comportamiento deseado de la red se puede modificar

al cambiar la funcion objetivo. En este problema de optimizacion pueden ademas imponerse re-

stricciones de interes para las redes WSN, que reflejen la heterogeneidad de los nodos WSN. Ası

63

64 CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS

es posible, por ejemplo, imponer como restriccion que un nodo o conjunto de nodos crıticos de la

red, mantenga niveles de baterıas por encima de cierto nivel.

• El metodo contiene los siguientes parametros que pueden modificarse produciendo cambios en el

desempeno de la red:

– El umbral de enrutamiento de los nodos. Este valor puede modificarse de manera de

prolongar el tiempo de vida de la red, ya que si un nodo tiene poca energıa, su vida se puede

alargar, y por tanto lo mismo sucedera con el tiempo de vida de la red.

– El maximo numero de nodos sin baterıa permitidos antes de considerar la red como

desactivada. Este valor se puede modificar, de acuerdo con la aplicacion con la que se quiere

trabajar. Puede suceder en algunos casos que sea imprescindible recibir la informacion de

todos los nodos, mientras que en otros casos puede permitirse un valor mayor de nodos sin

baterıa y mantener activa la red. Evidentemente al cambiar el valor de este parametro se esta

afectando el tiempo de vida de la red.

– El tiempo de evaluacion de la red Teval. este parametro afecta directamente el consumo

energetico de los nodos, ya que si este tiempo es muy grande puede suceder queun nodo se

descargue antes de que la BS realice su siguiente evaluacion. Por el contrario, si el valor es

muy pequeno, la red puede sufrir congestiones por la cantidad de mensajes que debera enviar

la BS a todos los nodos, e incluso pueden realizarse evaluaciones que arrojen como resultado

dejar el estado de la red como esta. Por otro lado, para esteultimo caso, la simulacion puede

hacerse computacionalmente inmanejable. Es importante destacar que existe otro parametro,

el umbral de desconexion, que es afectado directamente por el valor deTeval, ya que depende

del consumo energetico asociado al envıo de mensajes que tendra un nodo durante el tiempo

entre una evaluacion de la red y la siguiente (Teval).

• El protocolo trabaja de manera centralizada. Todos los nodos tienen como destino final de sus

mensajes la BS, y es enesta que se realizan las simulaciones y la toma de decisiones para modificar

las rutas y estados de los nodos. Por esta razon, es posible implementar otro tipo de restricciones

de acuerdo a las prioridades de los nodos, ya que la BS las puede incluir dentro de su toma de

decisiones.

• En las simulaciones realizadas para evaluar el metodo se usaron modelos de desgaste y radio

realistas (incluyendo consumos de potencia de los nodos, PRR, etc.). Losresultados obtenidos

6.2 Desarrollos futuros 65

demuestran el buen desempeno del metodo ante este tipo de condiciones de transmision.

• El metodo desarrollado se simulo para cuatro funciones objetivo distintas:

J1 = MinB

J2 =N

∑

i=1

Batnofi

N(6.1)

J3 =MinB

MaxB

J4 =MaxB

MaxB − MinB

Se simularon cuatro tipos diferentes de configuraciones de red, de acuerdo a la densidad de nodos

en ellas. Se pudo observar que si se quiere mantener el numero total de nodos durante la mayor

cantidad de tiempo funcionando, la funcionJ2 es la que presenta los mejores resultados en general.

Sin embargo, si no es tan importante mantener todos los nodos activos, perose quiere a costa de

esto mantener la red completa activa por mas tiempo, la funcion J3, e incluso laJ1 presentan

mejores resultados queJ2

• El metodo desarrollado se comparo con el CTP implementado en Castalia. La evaluacion, rea-

lizada a partir de un conjunto de redes WSN con topologıas aleatorias y con densidades diferentes,

mostro que el metodo desarrollado mejora notablemente el tiempo de vida de la red, cerca de un

30%, cuando la densidad de nodos cercanos a la BS es alta. Por el contrario, si el numero de

nodos cercanos a la BS es pequeno, estos deberan estar la mayor parte del tiempo activos, ya que

enrutaran todos los mensajes provenientes de los otros nodos de la red. En este caso, el tiempo de

vida de la red se asemeja al del CTP, ya que esos pocos nodos cercanos a la BS condicionan la vida

de la red al desgaste de su baterıa, tal como sucede en el CTP, que mantiene los nodos encendidos

todo el tiempo.

6.2 Desarrollos futuros

Despues de finalizar el trabajo, quedan abiertas unas lıneas posibles para continuar la investigacion,

las cuales se mencionan a continuacion:

• El metodo propuesto selecciona la accion que optimiza unındice J. En vista de la gran variedad

existente de aplicaciones para redes de sensores, podrıa estudiarse disenar diferentes tipos de fun-

66 CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS

ciones objetivo, con caracterısticas distintas a las definidas en este trabajo. Por ejemplo, pueden

considerarse funciones que consideren algunos y no todos los nodos, ya que puede que algunos

sean mas crıticos que otros, o simplemente se pueda saber a priori que algunos nunca cambiaran

su modo de trabajo, por lo que no es necesario incluirlos en el diseno de la funcion.

• El comportamiento de cada funcion objetivo es diferente dependiendo de la topologıa de la red.

Podrıan incluirse tecnicas de inteligencia artificial que permitan identificar el tipo de configuracion

de la red, y a partir de ella escoger la funcion objetivo que mejor desempeno presente para ese tipo

de configuraciones, o de acuerdo con el criterio que mejor se adapte a laaplicacion a desarrollar.

• La optimizacion puede incluir otro tipo de restricciones y/o prioridades diferentes en losnodos,

como por ejemplo que un nodo siempre debe estar encendido, o que la informacion proveniente

de algun nodo sea de mayor importancia que la del resto por lo que se desea preservar la baterıa

de ese nodo por encima de la de los demas, entre otros.

• El metodo propuesto en este trabajo funciona de manera centralizada. Es posible extender este

desarrollo al caso descentralizado, donde no sea necesario enviar todos los mensajes a una BS.

Esto podrıa influir de manera positiva en el tiempo de vida de la red, y en el desgaste delas baterıas

de los nodos, que podrıa resultar mas uniforme. Ademas esto traerıa tambien la opcion de generar

diferentes rutas, segun como se organicen los grupos de nodos, e incluir condiciones energeticas

para la pertenencia de algun nodo a un grupo u otro, de manera que si en un grupo el nodo siempre

funciona como hoja, eventualmente este nodo podrıa cambiarse de grupo o convertirse en la BS

del suyo, consiguiendo ası disminuir el desgaste de otros nodos.

• Para la simulacion y validacion del metodo propuesto, se desarrollo una plataforma de simulacion

en MATLAB. A partir de esta plataforma se podrıa desarrollar un simulador de redes, que trabajase

por modulos, permitiendo incluir los protocolos a evaluar sobre el simulador. Se podrıan incluir

librerıas con diferentes tipos de nodos, que incluyan la informacion correspondiente a sus consumo

de potencia, capacidades de transmision, etc. Igualmente se podrıan incluir librerıas con diferentes

modelos de radio, configuraciones de red predeterminadas para simulaciones, entre otros.

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