redes de sensores

5/11/2018 Redes de Sensores - slidepdf.com

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TRABAJO DE AMPLIACIÓN DE REDES

REDES DESENSORES

INALÁMBRICAS

Alumno: Jesús Serna Sanchis

Miércoles 10 de Enero de 2007



Ampliación de Redes Ingeniería Informática

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ÍNDICE

REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS (WSN)…………….….…… 3

TIPOS DE SENSORES (MOTAS)………………………………….……. 5

SISTEMAS OPERATIVOS PARA MOTAS………………………..….....7

SISTEMA OPERATIVO TINYOS………………………………..…..….. 8

LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN…….………………….……..…… 9

APLICACIONES CON WSN…………………..……………………...... 10

PROTOCOLOS MAC PARA WSN

INTRODUCCIÓN……………………….……………………….. 11CLASIFICACIÓN DE PROTOCOLOS MAC…….…………….. 12ELECCIÓN DEL PROTOCOLO MAC…………………….……. 13EJEMPLOS DE PROTOCOLOS MAC………………………….. 14

PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO PARA WSNsINTRODUCCIÓN………………………………………………... 16MODELOS DE ROUTING……………….……………………… 16

TÉCNICAS Y OBJETIVOS……………………………………… 17

BIBLIOGRAFÍA……...…………………………………………………. 18




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REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS

INTRODUCCIÓN

En los años 90, las redes han revolucionado la forma en la que las personas y lasorganizaciones intercambian información y coordinan sus actividades. En ésta décadaseremos testigos de otra revolución; una nueva tecnología permitirá la observación y elcontrol del mundo físico. Los últimos avances tecnológicos han hecho realidad eldesarrollo de unos mecanismos distribuidos, diminutos, baratos y de bajo consumo, que,además, son capaces tanto de procesar información localmente como de comunicarse deforma inalámbrica. La disponibilidad de microsensores y comunicaciones inalámbricaspermitirá desarrollar redes de sensores/actuadores para un amplio rango de aplicaciones.

Esto conllevará un necesario desarrollo de modelos físicos, los cuales requierenun análisis y monitorización de datos efectivo y funcional. Un segundo reto a superar es

la variabilidad de este nuevo entorno. Mientras un buen sistema distribuido se desarrollacon la fiabilidad como elemento básico, estas nuevas aplicaciones presentan un nivel dealeatoriedad más allá de lo común.

Pero la idea dominante radica en las restricciones impuestas por los sistemas enestado inactivo. Estos sistemas deben ser de bajo consumo y larga duración; tantocuando operan como cuando permanecen a la espera. Además, como en Internet,tenemos sistemas escalables, sin embargo las técnicas tradicionales no son aplicablesdirectamente, así que debemos desarrollar técnicas alternativas.

REDES DE SENSORES (MOTAS)

Cada nodo de la red consta de un dispositivo con microcontrolador, sensores ytransmisor/receptor, y forma una red con muchos otros nodos, también llamados motaso sensores. Por otra parte, un sensor es capaz de procesar una limitada cantidad dedatos. Pero cuando coordinamos la información entre un importante número de nodos,éstos tienen la habilidad de medir un medio físico dado con gran detalle.

Con todo esto, una red de sensores puede ser descrita como un grupo de motasque se coordinan para llevar a cabo una aplicación especifica. Al contrario que las redestradicionales, las redes de sensores llevarán con más precisión sus tareas dependiendo

de lo denso que sea el despliegue y lo coordinadas que estén.

En los últimos años, las redes de sensores han estado formadas por un pequeñonúmero de nodos que estaban conectados por cable a una estación central de procesadode datos. Hoy en día, sin embargo, nos centramos más en redes de sensores distribuidase inalámbricas. Pero, por qué distribuidas e inalámbricas: cuando la localización de unfenómeno físico es desconocida, este modelo permite que los sensores estén mucho máscerca del evento de lo que estaría un único sensor.

Además, en muchos casos, se requieren muchos sensores para evitar obstáculosfísicos que obstruyan o corten la línea de comunicación. El medio que va a sermonitorizado no tiene una infraestructura, ni para el suministro energético, ni para la




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comunicación. Por ello, es necesario que los nodos funcionen con pequeñas fuentes de

energía y que se comuniquen por medio de canales inalámbricos.

Otro requisito para las redes de sensores será la capacidad de procesamiento

distribuido. Esto es necesario porque, siendo la comunicación el principal consumidor de

energía, un sistema distribuido significará que algunos sensores necesitarán comunicarse através de largas distancias, lo que se traducirá en mayor consumo. Por ello, es una buena

idea el procesar localmente la mayor cantidad de energía, para minimizar el número de

bits transmitidos.

En el Instituto de Robótica, vamos a desarrollar un sistema de programación en

red para redes de sensores inalámbricas que ofrecerá las mejores prestaciones posibles.

En este trabajo describiremos los aspectos más generales que conforman una “Wireless

Sensor Network”.

Fig1. En esta imagen de la Web del grupo de trabajo GSIC 1

(desarrollada por César

Asensio) observamos la red desplegada en la planta baja del Instituto de Robótica.




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TIPOS DE MOTAS

Las Wireless Sensor Networks, tienen una corta historia, a pesar de ello, yatenemos a varios fabricantes trabajando en esta tecnología.

CROSSBOW: Especializada en el mundo de los sensores, es una empresa quedesarrolla plataformas hardware y software que dan soluciones para las redes desensores inalámbricas. Entre sus productos encontramos las plataformas Mica, Mica2,

Micaz, Mica2dot, telos y telosb.

MOTEIV: Joseph Polastre, antiguo doctorando de un grupo de trabajo de la

Universidad de Berekeley formó la compañía Moteiv. Ha desarrollado la plataforma

Tmote Sky y Tmote Invent. El tipo de mota Tmote Sky será detallado en el siguiente

punto, dado que es el que se utiliza en el Instituto de Robótica.

SHOCKFISH: Empresa suiza que desarrolla TinyNode. A partir de este tipo de

mota en Laussane han llevado un proyecto semejante al nuestro, en el que implementan

una red de sensores en todo el campus de la “Ecole Polytechnique Fédérale de

Lausanne”.

Micaz Mica2 Mica2dot Tmote TinyNode

Distribuido por Crossbow Moteiv ShockfishFrecuencia reloj 7.37 MHz 4 MHz 8MHz 8MHz

RAM 4KB 10K bytes 10K bytes

Batería 2 pilas AA Coin cell 2 pilas AA Solar

Microcontrolador Atmel Atmega 128L Texas Instruments -

MSP430 microcontroller

Fig2. Tabla comparativa de motas.




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Tmote Sky

Tmote Sky es una plataforma para aplicaciones en redes de sensores de muy

bajo consumo y alta recolección de datos. Lleva integrados tanto los sensores como la

radio, antena y microcontrolador, además puede ser fácilmente programado.

Las operaciones de baja energía en las Tmote Sky son realizadas gracias al

microcontrolador MSP430 F1611. Este procesador RISC de 16 bits consume muy

pocas baterías tanto en el estado activo como durante el sueño o hibernación. Para

reducir al máximo este consumo, permanece en modo sueño durante la mayoría del

tiempo, se despierta tan rápido como puede para procesar, enviar… y entonces vuelve a

dormirse.Utiliza un controlador USP de FTDI para comunicarse con el ordenador y

maneja una radio Chipcon CC2420, la cual es un estándar IEEE 802.15.4 que proveeuna fiable comunicación inalámbrica para WSNs. La radio tiene la posibilidad de enviar

datos a muy alta frecuencia. El microcontrolador se comunica con la antena a través del

puerto SPI y puede apagarlo para las operaciones de baja energía.La antena interna “Invertid –F micro strip” es una antena seudo-omnidireccional

que puede alcanzar los 50 metros dentro de un edificio y los 125 en el exterior.

Fig3. Tmote Sky, se aprecia el puerto USB, los sensores de luz (3 módulos color negro

en la parte central izquierda) y los 3 leds (parte inferior derecha).

Las características esenciales de Tmote Sky son:

- Transmisor Chipcon inalámbrico de 250Kbps 2.4GHz IEEE 802.15.4

- Interactúa con otros dispositivos IEEE 802.15.4

- Microcontrolador MSP430 Texas Instruments de 8MHz (10Kb de

RAM y 48 Kb de Flash)

- ADC, DAC, supervisor de voltaje y controladora DMA integrada

- Antena, sensores de humedad, temperatura y luz

- Muy bajo consumo

- Rápido en despertar del sueño (<6 μs)- Hardware para encriptación y autenticación de la capa de enlace

- Programación y recogida de datos por USB

- 16 pines para soportar una expansión y conector de antena opcional

SMA

- Ayuda de TinyOS: enrutamiento de malla e implementación de las

comunicaciones

- Cumple con los requisitos FCC Parte 15

Los sensores de humedad/temperatura están manufacturados por Sensiron AG,

producidos con procesadores CMOS y emparejado con un dispositivo ADC de 14 bits.

Los coeficientes para estos sensores se guardan en la EEPROM. La precisión del sensor es de 0.5ºC.




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SISTEMAS OPERATIVOS PARA MOTAS

• Bertha (pushpin computing platform) Una plataforma de software diseñada e

implementada para modelar, testear y desplegar una red de sensores distribuida

de muchos nodos idénticos. Sus principales funciones se dividen en los

siguientes subsistemas:

- Administración de procesos

- Manejo las estructuras de datos

- Organización de los vecinos

- Interfaz de Red

• Nut/OS: Es un pequeño sistema operative para aplicaciones en tiempo real, que

trabaja con CPUs de 8 bits. Tiene las siguientes funciones:

- Multihilo

- Mecanismos de sincronización

- Administración de memoria dinámica- Temporizadores asíncronos

- Puertos serie de Entrada/Salida

Está diseñado para procesadores con los siguientes recursos:

- 0.5 kBytes RAM

- 8 kBytes ROM

- velocidad de 1 MIPS CPU

• Contiki: Es un Sistema Operativo de libre distribución para usar en un limitado

tipo de computadoras, desde los 8 bits a sistemas embebidos en

microcontroladores, incluidas motas de redes inalámbricas.

• CORMOS: A Communication Oriented Runtime System for Sensor Networks,

específico para redes de sensores inalámbricas como su nombre indica.

• eCos: (embedded Configurable operating system) es un sistema operativo

gratuito, en tiempo real, diseñado para aplicaciones y sistemas embebidos que

sólo necesitan un proceso. Se pueden configurar muchas opciones y puede ser

personalizado para cumplir cualquier requisito, ofreciendo la mejor ejecución en

tiempo real y minimizando las necesidades de hardware.

• EYESOS: se define como un entorno para escritorio basado en Web, permite

monitorizar y acceder a un sistema remoto mediante un sencillo buscador.

• MagnetOS: es un sistema operativo distribuido para redes de sensores o ad-

hoc, cuyo objetivo es ejecutar aplicaciones de red que requieran bajo consumode energía, adaptativas y fáciles de implementar.

• MANTIS (MultimodAl NeTworks In-situ Sensors)

• TinyOS: Sistema Operativo utilizado para TMote Sky, se hablará de él en la

próxima sección.

• t-Kernel: es un sistema operativo que acepta las aplicaciones como imágenes

de ejecutables en instrucciones básicas. Por ello, no importará si está escrito en

C++ o lenguaje ensamblador.

• LiteOS: Sistema operativo desarrollado en principio para calculadoras, pero

que ha sido también utilizado para redes de sensores.




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SISTEMA OPERATIVO TINYOS

El sistema operativo TinyOS, como su nombre indica es un reducido núcleo

multitarea, útil para pequeños dispositivos, tales como las motas. Es un sistema

operativo “event-driven”, quiere decir que funciona a partir de eventos producidos que

llamarán a funciones. Ha sido desarrollado para redes de sensores con recursoslimitados. El entorno de desarrollo de TinyOS soporta directamente la programación de

diferentes microprocesadores y permite programar cada tipo con un único identificador

para diferenciarlo, o lo que es lo mismo se puede compilar en diferentes plataformas

cambiando el atributo.

El sistema Tinyos, sus librerías y aplicaciones, está escrito en nesC, una versión

de C que fue diseñada para programar sistemas embebidos. En nesC, los programas

están compuestos por componentes que se enlazan para formar un programa completo.

Los componentes se enlazan a través de sus interfaces. Estas interfaces son

bidireccionales y especifican un conjunto de funciones que están implementadas bien

por los proveedores o bien por los que la utilizan. NesC esperará que el código que va a

ser generado cree un programa con un ejecutable que contenga todos los elementos del

mismo, así como los manejadores de las interrupciones de programas de más alto nivel.

TinyOS tiene las siguientes características:

- pequeño núcleo de footprint (huella del ejecutable del SO) de 400bytes entre

código y datos

- arquitectura basada en componentes

- capas de abstracción bien establecidas, limitadas claramente a nivel de

interfaces, a la vez que se pueden representar los componentes automáticamentea través de diagramas

- amplios recursos para elaborar aplicaciones

- adaptado a los recursos limitados de las motas: energía, procesamiento,

almacenamiento y ancho de banda

- operaciones divididas en fases (Split-phase)

- dirigido por eventos (Event Driven): reacciona ante sensores y mensajes

- concurrencia de tareas y basada en eventos

- implementación en nesC

- las interfaces realizan servicios,

- interfaces bidireccionales, con comandos y eventos

- los comandos los implementa el proveedor- los eventos son implementados por el usuario

- Un módulo implementa una interfaz

- Los componentes proveen y usan interfaces (representado en el código por las

etiquetas “provide and use”)

- Una configuración enlaza las interfaces internas y externas (wire)

- Una aplicación consiste en una configuración de alto nivel y todos los módulos

asociados

A continuación describiremos otros lenguajes de programación para motas, además

del lenguaje nesc que utiliza TinyOS.




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LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN

La programación de sensores es complicada, entre otras dificultades está lalimitada capacidad de cálculo y la cantidad de recursos. Y así como en los sistemasinformáticos tradicionales encontramos entornos de programación prácticos y eficientespara depurar código, simular… en estos microcontroladores todavía no hayherramientas comparables.

Podemos encontrar lenguajes como:

- nesC: lenguaje que utilizamos para nuestras motas, y que estádirectamente relacionado con TinyOS.

- Protothreads: específicamente diseñado para la programación

concurrente, provee hilos de dos bytes como base de funcionamiento.- SNACK: facilita el diseño de componentes para redes de sensoresinalámbricas, sobre todo cuando la información o cálculo a manejar esmuy voluminoso, complicado con nesc, este lenguaje hace suprogramación más fácil y eficiente. Luego es un buen sustituto de nescpara crear librerías de alto nivel a combinar con las aplicaciones máseficientes.

- c@t: iniciales que hincan computación en un punto del espacio en eltiempo (Computation at a point in space (@) Time )

- DCL: Lenguaje de composición distribuído (Distributed CompositionalLanguage)

- galsC: diseñado para ser usado en TinyGALS, es un lenguajeprogramado mediante el modelo orientado a tarea, fácil de depurar,permite concurrencia y es compatible con los módulos nesc de TinyOS

- SQTL(Sensor Query and Tasking Language): como su nombre indica esuna interesante herramienta para realizar consultas sobre redes de motas.




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APLICACIONES DE LAS REDES DE SENSORES

Las redes de sensores tienen una amplia variedad de aplicaciones:

- monitorización de un hábitat (para determinar la población y

comportamiento de animales y plantas)

- monitorización del medio ambiente, observación del suelo o agua- el mantenimiento de ciertas condiciones físicas (temperatura, luz)

- control de parámetros en la agricultura

- detección de incendios, terremotos o inundaciones

- sensorización de edificios “inteligentes”

- control de tráfico

- asistencia militar o civil

- control de inventario

- control médico

- detección acústica

- cadenas de montaje, etc.

De hecho las redes de sensores inalámbricas (WSN) tienen el potencial de

revolucionar los complejos sistemas de control u observación, tal y como hoy los

entendemos.

Lista de aplicaciones con redes de sensores inalámbricas en el mundo comercial:

- XSILOGY Solutions es una compañía que provee WSN para las

siguientes aplicaciones comerciales: organización de inventario de

tanques, sistemas de distribución de flujos, edificios comerciales,

monitorización medioambiental, defensa del hogar, etc.

(http://www.xsilogy.com/home/main/index.html )

- ENSCO investiga con WSN para aplicaciones meteorológicas

(http://www.in-q-tel.com/tech/dd.html)

- EMBER provee soluciones con WSN para automatización industrial,

defensa y edificios inteligentes. (http://www.ember.com)

- H900 Wireless SensorNet System(TM), el primer sistema de

enrutamiento de malla inalámbrico para sensores, desarrollado por la

compañía Snsicast Systems. Sus aplicaciones van desde la electricidad a

la seguridad del hogar (http://www.sensicast.com

)

- SOFTLINX desarrolla productos de seguridad perimetral basada en

sensores. (http://www.soflinx.com)- XYZ: Integra redes de sensores inalámbricas pare el control de entornos

en el interior de edificios (http://www.cbe.berkeley.edu/research/briefs-

wirelessxyz.htm)

- Crossbow desarrolla redes de sensores para monitorizar entornos y otras

aplicaciones industriales como puente, estructuras, calidad del

aire/comida, auomatización industrial… (http://www.xbow.com

)

- Japan's Omron Corp ha elaborado una red de sensores para naves de

carga que provee un sistema de seguridad en los puertos.

(http://www.omron.com

)

- Otras páginas web son: www.millennial.net, www.dust-inc.com,

www.melexis.com, www.chipcon.com, www.zigbee.com.




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PROTOCOLOS DE MAC PARA WSN

Un protocolo de MAC tiene que servir de base para protocolos de más alto nivel,

en las redes de sensores, por encima tendríamos el protocolo de enrutamiento, que usará

las funciones implementadas en la MAC para enviar y recibir paquetes, sincronizar susoperaciones, etc.

Las características esenciales que debe cubrir un protocolo MAC son:

- La flexibilidad, porque el entorno inalámbrico es totalmente cambiante debido a

interferencias en el aire de otras ondas, propiedades y formas de los materiales

del entorno, y un largo etcétera. Además, los nodos pueden fallar en cualquier

momento, teniendo que buscar nuevos caminos, reconfigurando la red y

recalibrando los parámetros. El tráfico puede incrementarse, ya que la

información requerida también puede crecer.

- Eficiencia, un protocolo de MAC debe ser eficiente para poder trabajar en

tiempo real, debe ser fiable y robusto ante las interferencias. Tolerante a los

ruidos. Además debe estar profundamente integrado con el medio donde va a

trabajar, a su vez que debe ser un software barato y con funciones que cubran las

necesidades más amplias del mercado.

Estos protocolos afectan directamente a la disipación de la energía, ya que son la

capa más próxima al nivel físico, también determinará, en parte, el coste del sistema.

Así como serán clave a la hora de especificar la latencia y el nivel de seguridad del

sistema.

En las redes de sensores estos protocolos determinan los canales de radio a utilizar,

implementan las transmisiones y recepciones a bajo nivel, además de controlar los

errores.

Las funciones de un protocolo de MAC son controlar el acceso al mediocompartido, que en este caso será un canal de radio (a través del aire). El protocolo debe

evitar las interferencias entre transmisiones, mitigando el efecto de las colisiones,

mediante retransmisiones…

Tenemos varias aproximaciones:

- Basadas en contención, sin coordinación.

- Basadas en planificación, con un nodo central o punto de acceso, encargado de

sincronizar al resto.

- División en frecuencia y división en código, también son dos aproximaciones

pero no se utilizan prácticamente en las redes inalámbricas de sensores.

Los protocolos de control de acceso al medio (MAC) han sido estudiadosdurante décadas, los diseños varían mucho según el objetivo de la aplicación. Pueden

ser clasificados en categorías basadas en diferentes principios; algunos son

centralizados, con una estación central como líder del grupo haciendo el control de

acceso, otras son distribuidas. Algunas usan un único canal, otras varios. Algunas usan

diferentes versiones de acceso aleatorio; otras usan reserva de canal y planificación. Los

protocolos están optimizados para diferentes causas: energía, retardo, tasa de

transferencia, equidad, calidad de servicio (QoS) o soportar múltiples servicios.

Cada tipo de red necesitará un protocolo diferente. Por ejemplo, las redes donde

los eventos se producen de forma periódica necesitan protocolos que usen reserva y

planificación del tiempo. Tendrán una mejor utilización del canal, y tendrán un mayor

tiempo de vida. Por el contrario, para las redes de sensores con eventos asíncronos la

MAC ha de ser distribuida y optimizada para la energía. Un método distribuido usando




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múltiples canales y acceso aleatorio sería lo más indicado para estas redes, se evitaría el

tener un único punto de fallo, múltiples canales reducen las colisiones yretransmisiones, además del retraso, además incrementa la tasa de transferencia. El

acceso aleatorio evita al nodo conocer la red, en este caso no es necesaria lasincronización.

CLASIFICACIÓN DE PROTOCOLOS MAC

Existen gran variedad de protocolos, que fueron desarrollados con anterioridad

para otros tipos de redes, y que ahora han sido implementados sobre redes inalámbricas

de sensores. Además, diversos grupos de trabajo han creado otros protocolos ad hoc

para este tipo específico de redes, lo que nos da un amplia gama de protocolos, que se

enumeran a continuación según su tipo…

Protocolos de Acceso Múltiple por Detección de Portadora (CSMA. Carrier Sense

Multiple Access) o ranurados:

Sensor MAC (S-MAC)

802.15.4

Timeout MAC (T-MAC)

Berkeley-MAC (B-MAC)

Power-Aware Multi-access protocol with signaling (PAMAS)

Protocolos de Acceso multiplexado por división de tiempo (TDMA. Time Division

Multiplex Access): Traffic-Adaptive MAC (TRAMA)

Low-Energy Adaptive Clustering Heirarchy(LEACH)

Power Aware Clustered TDMA (PACT)

Bit-Map Assisted (BMA)

Proposed Gateway MAC (G-MAC)

SPRIME (SupSlot Period Reservation & Inter-Master Estimation)

SMACS (Self-Organized MAC for Sensor networks)

Otros:

DMAC (Dynamic Topology MAC)

CMAC (Spatial Correlation-based Collaborative) DSMAC (Dynamic Duty Cycle for WSN)

SmartNode (*send with same power as received)

STEM (Sparse Topology and Energy Management)

DPSM (Dynamic Power Saving Mechanism)

MACA (MultiAccess Collision Avoidance)

ZMAC (Hybrid MAC for WSN )




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ELECCIÓN DEL PROTOCOLO MAC

Para elegir un buen protocolo MAC, debemos tener en cuenta:

- su escalabilidad, porque las redes de sensores son por definición dinámicas, y el

añadir nodos es totalmente normal, luego debe estar preparado para trabajar con

diferente número de nodos- debe ser posible el predecir los retrasos, los protocolos implementarán un

mecanismo que evite tener que preocuparse del correcto funcionamiento en

función de la disposición de los nodos, proximidad, calidad del canal…

- Adaptabilidad a los cambios mencionados anteriormente

- Eficientes a la hora de gestionar la energía, como principal desafío de las redes

de sensores, la cantidad de energía utilizada en el envío, recepción de paquetes

en las redes inalámbricas es esencial, ya que a menor energía utilizada mayor

tiempo de vida para la red

- Fiables, evitando los bloqueos, la pérdida de paquetes, la desaparición de nodos

y respondiendo a interferencias o ataques externos a la red

En relación al penúltimo punto, varios protocolos MAC han sido desarrollados

para enfrentarse al agotamiento de las baterías. S-MAC, por ejemplo, divide la

estructura de envío, recepción de mensaje en períodos de escucha y sueño (durante el

sueño el sensor usa el mínimo de energía). El período de escucha esta dividido en un

período de sincronización y otro de transferencia de datos. La sincronización permite a

los nodos anunciar periódicamente su planificación de tiempos, corrigiendo así los

desplazamientos temporales propios de un sistema impreciso. Además, permite a la red

sincronizar los períodos de sueño de los nodos, formando así un conjunto virtual de

nodos que activan al mismo tiempo los períodos de escucha y sueño. El T-MAC

(Timeout MAC) es similar al S-MAC, pero con un período de escucha adaptativobasado en el tráfico de la red. Con T-MAC, los nodos pueden ir directamente a la fase

de sueño tan pronto como el tráfico de la red se termine.

A continuación, detallamos los cinco puntos clave para desarrollar un protocolo

MAC que consuma lo mínimo para una red de sensores inalámbrica:

1- Las colisiones deben ser evitadas siempre que sea posible, ya que la

retransmisión produce un innecesario consumo de energía y además posibles

retrasos asociados. Por otro lado el evitar las colisiones puede producir una

sobrecara sustancial a la red, lo que consuma mayor energía. Un punto clave es

encontrar la solución óptima.2- A su vez, la transmisión de sobrecarga en el protocolo debe ser reducida tanto

como sea posible, lo que incluye los paquetes dedicados al control de la red y los

bits de cabecera de los paquetes de datos. Encontramos esto extremamente

importante para redes como la nuestra, con sensores Tmote, en la que el tráfico

es lento y los paquetes son normalmente cortos.

3- En los sistemas inalámbricos típicos, el receptor ha de ser encendido siempre,

resultando un consumo de energía significativo. Otra vez, esto es más

importante en una radio de corto alcance que en un sistema inalámbrico típico,

como una red de computadores o telefonía móvil, ya que un gran porcentaje de

la energía consumida ocurre cuando la radio está encendida. La situación ideal

sería cuando la radio sólo se enciende cuando necesita enviar o recibir paquetes,y minimizar los esfuerzos de monitorización.




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4- Hay puntos fundamentales en el diseño de sistemas inalámbrico entre estos

parámetros: eficiencia del uso de ancho de banda, retraso, calidad del canal oVER, y consumo de energía.

5- El último, pero no menos importante principio es la capacidad de adaptación ymovilidad. Para un sistema de gran escala con movilidad limitada, necesitamos

un algoritmo adaptativo que funcione con el mínimo sobrecoste posible.

A continuación se describen dos protocolos MAC para redes de sensores

inalámbricas.

EJEMPLOS DE PROTOCOLOS MAC

S-MAC

Sensor MAC es el primer protocolo de la capa MAC desarrollado para redes desensores, y ha tenido, como era de esperar, muy en cuenta las limitaciones de energía.La principal idea del S-MAC es ahorrar energía encendiendo y apagando

periódicamente las radios de los nodos, apareciendo el término de ciclo de trabajo, enlugar de tener las radios siempre escuchando posibles transmisiones.

Fig4. La imagen de arriba muestra la idea básica de S-MAC. Los nodos sólo pueden

recibir mensajes en la fase de escucha. Durmiendo el resto del tiempo, los sensoresahorrarán energía. Los nodos también pueden dormir cuando se detecta una

transmisión que se dirige a otro nodo.

Este hecho hace que el protocolo sea eficiente energéticamente para baja tasa de

envío y alta latencia, ya que los receptores duermen durante bastante tiempo.

Para trabajar de esta manera, S-MAC requiere sincronización. Los nodosvecinos se intercambiarán mensajes de sincronización periódicamente (SYNC). Las

marcas de tiempo intercambiadas con este SYNC son relativas, en cuanto a que unamota dirá: “voy a dormir tres segundos” en lugar de “son las 3:00, a las 3:03

despertaré”.

Para evitar el problema de la terminal escondida, S-MAC usa RTS-CTS

(Request to Send/Clear to Send). A través del paso de mensajes, un nodo puede

transmitir un conjunto de paquetes, usando un único RTS/CTS para negociar

(handshake). Todo paquete debe ser, por tanto, reconocido, y todo paquete describe la

duración de la transmisión del paquete actual, determinará cuando un nodo puede

dormir.

La escucha adaptativa, puede usarse, así el siguiente salto potencial, puede

despertar en el momento de recibir las posibles transmisiones.




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T-MAC

Timeout MAC, es un protocolo que intenta mejorar al anterior S-MAC, teniendotiempos de trabajo (duty cycles) de diferente longitud. La idea es enviar mensajes en

ráfagas al principio de este tiempo de trabajo y volver a dormir, tan pronto como no

haya más mensajes para ser enviados o recibidos. Los nodos esperarán por un periodomuy corto de tiempo.

Fig5. Comparativa SMAC y TMAC

La única diferencia, como podemos observar es que el nodo se duerme más

pronto, tan pronto como detecta que no hay más comunicación que hacer. La

sincronización, RTS-CTS y los sistemas de acuse de recibo son similares a S-MAC. Eldibujo de arriba muestra la comparación de S-MAC y T-MAC, T-MAC ahorra energía

porque duerme más cantidad de tiempo.

Un problema se ha identificado en este protocolo en las redes multihop. Esllamado el “early sleeping” o problema de sueño temprano, ocurre cuando hay

contención. Supongamos cuatro nodos A, B, C y D en una red multihop. Supongamos

que A está enviando un mensaje a B, y C necesita enviar un mensaje a D pero está en el

radio de comunicación de B. En este caso, C no puede enviar un RTS a D, de otra

manera causaría una colisión con B. Mientras D esté fuera del rango de A y B, no

detectará actividad y se va a dormir, incluso cuando C tiene un mensaje para él. El

mismo problema ocurre otra vez en el siguiente ciclo de trabajo, siempre y cuando A oB obtengan el acceso al canal antes de C. Los desarrolladores de T-MAC ofrecen

algunas soluciones al problema, pero incluso con estas soluciones, la capacidad de

envía/recepción máxima del protocolo se ve comprometida, cuando la comparamos con

esta misma capacidad sobre S-MAC.




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PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO PARA WSN

INTRODUCCIÓN

Los nodos no tienen un conocimiento de la topología de la red, debendescubrirla. La idea básica es que cuando un nuevo nodo, al aparecer en una red,anuncia su presencia y escucha los anuncios broadcast de sus vecinos. El nodo seinforma acerca de los nuevos nodos a su alcance y de la manera de enrutarse a través deellos, a su vez, puede anunciar al resto de nodos que pueden ser accedidos desde él.Transcurrido un tiempo, cada nodo sabrá que nodos tiene alrededor y una o más formasde alcanzarlos.

Los algoritmos de enrutamiento en redes de sensores inalámbricas tienen quecumplir las siguientes normas:

- mantener una tabla de enrutamiento razonablemente pequeña- elegir la mejor ruta para un destino dado (ya sea el más rápido, confiable, de

mejor capacidad o la ruta de menos coste)- mantener la tabla regularmente para actualizar la caída de nodos, su cambio de

posición o su aparición- requerir una pequeña cantidad de mensajes y tiempo para converger

MODELOS DE ENRUTAMIENTO Modelo de un salto

Este es el modelo más simple y representa la comunicación directa. Todos losnodos en la red transmiten a la estación base. Es un modelo caro en términos deconsumo energético, así como inviable porque los nodos tienen un rango de transmisiónlimitado. Sus transmisiones no pueden siempre alcanzar la estación base, tienen unadistancia máxima de radio, por ello la comunicación directa no es una buena soluciónpara las redes inalámbricas.

Modelo Multi-hop

En este modelo, un nodo transmite a la estación base reenviando sus datos a unode sus vecinos, el cual está más próximo a la estación base, a la vez que este enviará aotro nodo más próximo hasta que llegue a la mota base. Entonces la información viajade la fuente al destino salto a salto desde un nodo a otro hasta que llega al destino. Envista de las limitaciones de los sensores, es una aproximación viable. Un gran númerode protocolos utilizan este modelo, entre ellos todos los MultiHop de Tmote Sky yTelos: MultiHop LQI, MintRoute, Router, etc. Éste modelo será el utilizado en nuestrared, ya que dado el número de nodos, el tipo de sensores y el software del quedisponemos, hacen del modelo MultiHop una solución óptima.




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Fig6. Aquí mostramos una red de motas donde la mota base es la 35, el resto de motas

envían sus datos ha ella con una profundidad máxima de 4 saltos (hops) para las motas1 y 6. Es el modelo usado por nuestro grupo de trabajo.

Modelo esquemático basado en clústeres

Algunos otros protocolos usan técnicas de optimización para mejorar la eficacia

del modelo anterior. Una de ellas es la agregación de datos usada en todos los

protocolos de enrutamiento basados en clústeres. Una aproximación esquemática rompe

la red en capas de clústeres. Los nodos se agruparán en clústeres con una cabeza, la

responsable de enlutar desde ese clúster a las cabezas de otros clústeres o la estaciónbase. Los datos viajan desde un clúster de capa inferior a uno de capa superior. Aunque,

salta de uno a otro, lo está haciendo de una capa a otra, por lo que cubre mayores

distancias. Esto hace que, además, los datos se transfieran más rápido a la estación base.

Teóricamente, la latencia en este modelo es mucho menor que en la de MultiHop. El

crear clústeres provee una capacidad inherente de optimización en las cabezas de

clúster. Por tanto, este modelo será mejor que los anteriores para redes con gran

cantidad de nodos en un espacio amplio (del orden de miles de sensores y cientos de

metros de distancia).




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BIBLIOGRAFÍA

1. GSIC. Grupo de Sistemas de Información y Comunicación, en el Instituto deRobótica. Web: http://147.156.223.19/home.php

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