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Trabajo de investigación oscar ortiz

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  • 1. Caracterización de calidad de servicio en redes inalámbricas de sensores Alumno de doctorado: Óscar Ortiz Ortiz. Profesor director: Ana Belén García Hernando José Fernán Martínez Ortega
  • 2. Caracterización de calidad de servicio en redes inalámbricas de sensores INDICE DE CONTENIDOS 1.- INTRODUCCION A LAS REDES INALAMBRICAS DE SENSORES............................... 1 2.- CONCEPTOS GENERALES SOBRE CALIDAD DE SERVICIO ........................................ 5 3.- LA CALIDAD DE SERVICIO EN REDES INALAMBRICAS DE SENSORES 3.1.- Introducción...................................................................................................................... 11 3.2.- Arquitectura y diseño de una red inalámbrica de sensores.............................................. 13 4.- PROPUESTAS PARA PROPORCIONAR CALIDAD DE SERVICIO EN REDES INALAMBRICAS DE SENSORES 4.1.- Introducción...................................................................................................................... 28 4.2.- Protocolos MAC............................................................................................................... 28 4.3.- Protocolos de Encaminamiento........................................................................................ 36 4.3.1.- Protocolos basados en la estructura de la red....................................................... 38 4.3.2.- Protocolos basados en el criterio de encaminamiento ......................................... 50 4.4.- Protocolos de Transporte.................................................................................................. 56 5.- APLICACIONES CON REQUISITOS DE CALIDAD DE SERVICIO............................... 60 6.- PROPUESTA DE ENCAMINAMIENTO EN UNA RED INALAMBRICA DE SENSORES ............................................................................................................................ 63 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.......................................................................................... 71
  • 3. Introducción 1.- INTRODUCCION A LAS REDES INALAMBRICAS DE SENSORES Uno de los principales objetivos de las redes inalámbricas especializadas (ad hoc) es el poder permitir a un grupo de nodos de la red la posibilidad de autoconfigurarse y mantener la red de forma autónoma sin ninguna intromisión de un controlador central o algo similar. Debido a esto, este tipo de redes pueden resultar útiles en situaciones donde se requiera ofrecer rapidez en la respuesta a un determinado evento sobre escenarios en los que no se pueda contar con una infraestructura de red fija, bien porque no exista (aplicaciones militares en entornos de guerra, aplicaciones de teleasistencia médica en el hogar, etc.,) o bien porque esté temporalmente fuera de servicio (atentados con el del 11 de Septiembre en Nueva York o el del 11 de Marzo en Madrid). Un subconjunto importante dentro de este tipo de redes son las redes inalámbricas de sensores. La peculiaridad de estas redes es la de proporcionar datos gestionables por equipos informáticos a partir de la captación de parámetros distribuidos sobre el entorno físico. Están formadas por un gran número de nodos sensores, también llamados motas, que integran, en su forma básica, un sensor, memoria, procesador, electrónica de comunicaciones por radio y una fuente de energía (por ejemplo, una batería). Unidad de Captación Unidad de Procesado Unidad de Transmisión Conversor Procesador Memoria Electrónica de Transceptor Sensor A/D comunicaciones (antena) Fuente de Energía (Batería) Figura 1: Diagrama de bloques de un nodo sensor básico O.Ortiz -1-
  • 4. Introducción La falta de infraestructura en este tipo de redes, hace que cada nodo se configure, se gestione y se controle de forma autónoma, jugando los roles adicionales de encaminador y redirector de datos. Precisamente, son estas tareas añadidas a los nodos, las que complican el diseño de protocolos en este tipo de redes, haciendo que arquitecturas de comunicaciones clásicas estratificadas en niveles funcionales claramente diferenciados (estilo OSI), no resulten las más adecuadas para las redes inalámbricas de sensores. Las arquitecturas de comunicaciones estratificadas en niveles sacrifican eficiencia por generalidad, dado que la transparencia que un nivel ofrece a los otros hace que la cooperación entre ellos sea inviable. Sin embargo, uno de los parámetros de diseño críticos en las redes inalámbricas de sensores es la eficiencia energética, y éste es un aspecto nuevo que trasciende a los niveles de protocolos tradicionales. Las estrategias que se adopten para acceder al medio físico (protocolos MAC) afectan directamente al consumo de energía, por ejemplo a través de las colisiones. Igualmente, con las estrategias que sigan los niveles de encaminamiento y transporte. Si estos tres niveles clásicos pudieran cooperar se podría optimizar el comportamiento de la red, en cuanto a eficiencia energética se refiere, por ejemplo, si todos los niveles de la arquitectura estuvieran al corriente en todo momento del remanente de energía de la que dispone el nodo, podrían ajustar sus configuraciones con el fin de optimizar este recurso. Esta reflexión pone de manifiesto la necesidad de tender hacia modelos arquitecturales inter-capa o inter-nivel, en los haya una cooperación entre los distintos niveles de protocolos con el fin de optimizar el rendimiento de la red y, por ende, la calidad en los servicios que ofrece. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de arquitectura inter-capa, concretamente la arquitectura Mobileman [Conti2004]. (©2004 IEEE), comparado con el modelo clásico. O.Ortiz -2-
  • 5. Introducción Application Application Security and cooperation Middleware Energy management Middleware Transport Network Transport Status Network Network Data Link Physical MAC and Physical Figura 2: Arquitectura clásica vs. Arquitectura inter-capa En estos nuevos modelos de arquitecturas, conceptos como la latencia, el rendimiento, la sobrecarga, el retardo o la variación de éste, han de marcar las investigaciones en este área, de forma que las aplicaciones en tiempo real en las que, por ejemplo, se requiera la transmisión de audio y video, funcionen de una manera eficiente. El estudio de todos estos parámetros que hacen que los nodos de una red se usen de manera eficiente con el fin de obtener medidas del entorno de forma efectiva, es lo que se engloba de forma genérica bajo el epígrafe de Calidad de Servicio (QoS). El presente trabajo pretende ser un estudio general sobre los requisitos básicos que deben proporcionar los protocolos con capacidad para ofrecer QoS dentro del marco de las redes inalámbricas de sensores. Las áreas finales de aplicación de este tipo de redes requerirán, de una u otra forma, usar protocolos energéticamente eficientes y con capacidades para proporcionar QoS. O.Ortiz -3-
  • 6. Introducción Algunas de estas áreas pueden ser: • Control medioambiental y mapeado de biodiversidad • Edificios inteligentes. • Gestión de catástrofes. • Control de acceso a recintos y vigilancia. • Medicina y salud. • Teleasistencia. Habrá aplicaciones en las que recibir los datos de forma fiable y en tiempo real sea básico, como por ejemplo en el área de medicina y salud, y otras en las que prevalecerán la fiabilidad de los datos sobre otros parámetros, como por ejemplo en el área de control de acceso a recintos y vigilancia. Para tener una visión más general de este tipo de redes, hay que tener en cuenta que, además de la calidad de servicio, hay otra serie de características que la mayoría de las aplicaciones comparten, tales como tolerancia a fallos, tiempo de vida de la red, escalabilidad programabilidad o mantenibilidad. Todas estas características hacen que las redes inalámbricas de sensores sean un caso especial dentro de las redes inalámbricas, y que obligan a buscar mecanismos específicos para poderlas ofrecer, como por ejemplo: • Nuevas arquitecturas de comunicaciones inter-capa. • Comunicaciones multisalto de nodo a nodo. • Operaciones energéticamente eficientes. • Autoconfiguración de forma autónoma. • Colaboración entre nodos y procesado de datos dentro de la propia red. • Funcionamiento centrado en la información (data centric) en vez de en su procedencia (address centric). O.Ortiz -4-
  • 7. Conceptos generales sobre Calidad de Servicio 2.- CONCEPTOS GENERALES SOBRE CALIDAD DE SERVICIO El término “Calidad de Servicio” tiene una amplia variedad de significados dependiendo de la perspectiva de la que se trate. Por ejemplo, desde el punto de vista de una aplicación o de un usuario final, la Calidad de Servicio será la que dicho usuario o aplicación aprecie en un momento dado (e.j. “esta aplicación funciona muy bien”), sin preocuparse de qué mecanismos concretos han sido necesarios para que “la aplicación funcione bien”. Sin embargo desde el punto de vista de la red, la Calidad de Servicio puede ser una medida de la calidad, en términos de parámetros o recursos óptimos, que la red ofrece al usuario o a la aplicación. Estas dos formas de ver la Calidad de Servicio se muestran en la siguiente figura: Aplicaciones / Usuarios Requisitos de Soporte QoS de QoS Red Figura 3: Perspectivas de la calidad de servicio Algunos organismos internacionales de normalización han dado diversas definiciones del concepto “Calidad de Servicio”: • Según la RFC-2386, la Calidad de Servicio se caracteriza como “un conjunto de requisitos de servicio que se deben cumplir en el transporte de un flujo de paquetes desde el origen a su destino”. O.Ortiz -5-
  • 8. Conceptos generales sobre Calidad de Servicio • Según el estándar X.902 de la Unión Internacional de Telecomunicación (ITU) la Calidad de Servicio es “Un conjunto de requisitos de calidad que condicionan el comportamiento colectivo de uno o varios objetos”. • El ATM Lexicon define la Calidad de Servicio como “Un termino que se refiere a un conjunto de parámetros de rendimiento de ATM que caracterizan el tráfico de una conexión virtual determinada”. • En la RFC-1946 de la Internet Engineering Task Force (IETF) se establece que “El surgimiento de la demanda de servicios de red de tiempo real ha hecho necesario que la redes compartidas proporcionen unos servicios de entrega deterministas. Estos servicios de entrega deterministas exigen que tanto la aplicación origen como la infraestructura de red tengan capacidades de petición, establecimiento, y aseguramiento de la entrega de datos. Colectivamente estos servicios se refieren a la reserva de ancho de banda y Calidad de Servicio”. Según ha aparecido en alguna de las definiciones anteriores, un “flujo de paquetes” es un conjunto de paquetes que van desde un origen a un destino, bien siguiendo todos la misma ruta o bien por rutas diferentes, según se trate de un servicio orientado o no orientado a la conexión. Cada flujo de paquetes tendrá una necesidades concretas de Calidad de Servicio, que se podrán caracterizar por los siguientes parámetros: 1. Fiabilidad. 2. Retardo. 3. Fluctuación de Retardo (jitter). 4. Ancho de banda. No hay una metodología concreta a seguir que nos proporcione una Calidad de Servicio óptima para cada una de las aplicaciones, maximizando los parámetros anteriores. Más bien hay una serie de métodos que se han venido usando a lo largo del tiempo y que combinan diversas técnicas para conseguir una Calidad de Servicio adecuada. O.Ortiz -6-
  • 9. Conceptos generales sobre Calidad de Servicio Alguna de estas técnicas se describe brevemente a continuación: • Aprovisionamiento: Proporcionar suficiente capacidad de encaminamiento, almacenamiento en buffer y ancho de banda para que los flujos de paquetes se transmitan con facilidad. Es la solución más fácil, pero también la más cara, lo que hace que no sea factible para la mayoría de las aplicaciones. • Almacenamiento en buffer: Los flujos de paquetes pueden almacenarse en un buffer del receptor, antes de que se entreguen a las aplicaciones finales. Esto no afecta a la fiabilidad o al ancho de banda, puesto que los paquetes ya están en el receptor, pero evidentemente incrementa el retardo. La ventaja de esta técnica es que minimiza el jitter causado por congestiones en la red, por pérdidas de sincronización o simplemente debido a las distintas rutas que hayan usado los paquetes para llegar a su destino. Este parámetro es clave para aplicaciones que requieran tiempo real, tales como audio o video bajo demanda o voz sobre IP (VoIP). • Modelado de tráfico: La técnica anterior no siempre es posible, por ejemplo en aplicaciones de videoconferencia. Para ofrecer Calidad de Servicio a estas aplicaciones, es necesario que el servidor (transmisor) ofrezca una tasa de tráfico constante, es decir, que el tráfico se modere desde el transmisor y no desde el receptor. Con esta técnica se consiguen dos cosas: § Se fuerza al tráfico entrante en la red a estructurarse según un patrón de flujo específico. § Se supervisa dicho flujo se tráfico (traffic policing) para saber si se ajusta en todo momento al patrón fijado. El modelado de tráfico reduce la congestión en la red, parámetro crucial para las aplicaciones en tiempo real. Algunas técnicas simples de modelado de tráfico son: la técnica de cubeta con goteo (leaky bucket) o su variante, la técnica de cubeta de tokens (token bucket). O.Ortiz -7-
  • 10. Conceptos generales sobre Calidad de Servicio • Reserva de recursos: El uso efectivo de la técnica anterior implica de alguna forma a obligar a que los paquetes pertenecientes a un flujo de datos sigan todos la misma ruta, como si de un circuito virtual se tratase, ya que el envío a través de encaminadores aleatorios dificulta la garantía de Calidad de Servicio. Cuando un flujo de paquetes sigue una ruta específica, es posible reservar recursos para él a lo largo de esa ruta y asegurarse así la capacidad necesaria requerida. Se pueden reservar tres tipos de recursos: § Ancho de banda, para no sobrecargar ninguna línea de salida del encaminador. § Espacio de buffer, para que el encaminador no descarte en paquete por no poderlo almacenar antes de retransmitirlo. § Ciclos de CPU suficientes para que el encaminador sea capaz de procesar el paquete en un tiempo determinado. • Control de admisión: Aplicando adecuadamente las técnicas anteriores, tendríamos un tráfico entrante, perteneciente a algún flujo de paquetes, bien modelado, que seguiría una única ruta y con la posibilidad de ir reservando recursos en los encaminadores intermedios. Cuando un flujo de estas características llega a un encaminador, éste tiene que decidir si lo acepta (lo admite) o lo rechaza, en base a su capacidad y a las reservas ya realizadas por otros flujos. Tomar esta decisión es complicado. Las aplicaciones deberían describir sus flujos de una forma más exacta, ya que algunas aplicaciones pueden ser más tolerantes que otras frente a incumplimientos de sus parámetros de calidad o simplemente, algunas pueden estar dispuestas a negociarlos y otras no. Normalmente, la aplicación genera una especificación de flujo que contiene los parámetros de calidad que le gustaría utilizar. Conforme la especificación se propague por la ruta, los encaminadores intermedios irán modificando los O.Ortiz -8-
  • 11. Conceptos generales sobre Calidad de Servicio valores de los parámetros en base a su capacidad (siempre que sean valores que signifiquen reducir el flujo), hasta que llega al otro extremo, momento en el que se establecen los parámetros. • Encaminamiento proporcional: Muchos de los algoritmos de encaminamiento tienen como objetivo encontrar la mejor ruta hacia un destino y enviar a través de ella todo el tráfico dirigido a él. Un sistema distinto de encaminamiento que se ha propuesto para proporcionar una calidad de servicio más alta es dividir el tráfico para un determinado destino a través de diversas rutas. Puesto que generalmente los encaminadores no tienen un panorama completo del tráfico de toda la red, la única forma factible de dividir el tráfico a través de múltiples rutas es utilizar la información disponible localmente. Una forma simple de realizar esto es dividir el tráfico en partes iguales o en proporción a la capacidad de los enlaces salientes. Sin embargo, hay disponibles otros algoritmos más refinados como el presentado en [Nelakuditi2002]. • Planificación de paquetes: Un encaminador que maneje varios flujos simultáneamente no debería procesar los paquetes según el orden de llegada (encolamiento FIFO), ya que si una fuente emite paquetes de forma masiva monopoliza los recursos del encaminador en detrimento de la calidad de servicio de los otros flujos. Para evitar esta situación, se han diseñado varios algoritmos de planificación de paquetes: § Encolamiento justo (fair queueing): Intenta evitar la monopolización del ancho de banda derivado de la situación anterior. Para ello, en vez de usar una cola para todos los flujos, usa varias colas separadas para cada línea de salida, una por flujo. Por el puerto de salida se enviará un paquete de cada flujo de forma circular (round robin). El problema de este algoritmo, a O.Ortiz -9-
  • 12. Conceptos generales sobre Calidad de Servicio parte de necesitar mucha potencia de procesador para clasificar los paquetes y gestionar las colas, es que debido a la política de salida en round robin de los paquetes, los flujos que tengan los paquetes de mayor tamaño obtendrán más ancho de banda que los flujos que los tengan de menor tamaño. Para solucionar esto, la exploración de las colas de salida se debería hacer byte a byte, en lugar de paquete a paquete, con lo que todos los flujos obtendrían la misma prioridad. Esto puede resultar un inconveniente en algunas ocasiones, ya que nos podría interesar en un momento dado dar más prioridad a un flujo procedente de un servidor de video que a uno procedente de un servidor de archivos. El siguiente algoritmo soluciona estas situaciones. § Encolamiento justo ponderado (weighted fair queueing): Mejora el rendimiento de los flujos de paquetes pequeños (flujos de video) frente a los flujos de paquetes grandes (transferencia de archivos) y evita la monopolización del ancho de banda por un solo flujo. Este algoritmo de encolamiento proporciona las garantías de latencia necesarias para el tráfico de tiempo real y multimedia sin afectar demasiado la latencia de los paquetes grandes. Todos estos métodos y técnicas presentados se usan normalmente en los modelos de servicio de red tradicionales, tales como el Modelo de Servicios Integrados del IETF (IntServ), el Modelo de Servicios Diferenciados del IETF (DiffServ), el Modelo de Servicio del ATM Forum o el Modelo de Servicio para Redes Inalámbricas, entre otros. Sin embargo, para las redes inalámbricas de sensores se han de tener en cuenta otros parámetros que inciden directamente en la Calidad de Servicio que ofrecen estas redes. O.Ortiz - 10 -
  • 13. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores 3.- LA CALIDAD DE SERVICIO EN REDES INALAMBRICAS DE SENSORES 3.1.- Introducción La particularidad de las redes inalámbricas de sensores frente a otro tipo de redes inalámbricas es que deben interactuar con su entorno, esto hace que, aunque encuentren las mismas limitaciones sobre la calidad de servicio que otras redes convencionales, tengan las suyas propias. Algunas de estas limitaciones a las que una red inalámbrica de sensores tiene que hacer frente para poder proporcionar una determinada calidad de servicio se describen a continuación: • Alta restricción de recursos en los nodos: Recursos como el ancho de banda, la memoria, el tamaño de los buffers, la capacidad de procesamiento, la potencia de transmisión y sobre todo la energía están muy limitados en los nodos, haciendo que cualquier mecanismo de calidad de servicio que se implemente en estas redes ha de ser simple. § Limitación de ancho de banda: Se debe encontrar un compromiso entre el ancho de banda que se dedica a tráfico de tiempo real, con limitaciones de calidad de servicio, y el que se dedica a tráfico genérico. § Energía y balance de retardos: Para optimizar la potencia de transmisión en la interfaz radio, el encaminamiento de paquetes se debe hacer salto a salto entre los nodos (encaminamiento multi-salto), ya que la energía consumida es proporcional a la distancia que se pretende alcanzar. Lógicamente, este tipo de encaminamiento incrementa el retardo total, siendo éste proporcional al número de saltos. Por lo tanto, en este aspecto, también se ha de encontrar un compromiso entre la energía consumida y el retardo permitido. O.Ortiz - 11 -
  • 14. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores § Límite del tamaño de buffer: El encaminamiento multi-salto se basa en el almacenamiento y reenvío (store and forward) de paquetes en los nodos intermedios. El cambio que tiene que realizar el nodo entre los modos transmisión/recepción en su interfaz consume una cantidad de energía nada despreciable [Min2001], por lo que poder contar con un buffer suficiente para almacenar varios paquetes antes de retransmitirlos puede mejorar bastante en consumo de energía. Nuevamente, se ha de encontrar un compromiso entre el consumo energético y el tamaño de buffer del que dotamos al nodo. Como podemos observar, siempre nos encontraremos en el dilema de tener que decidir entre mejorar o empeorar unos parámetros u otros, en base a los criterios de calidad de servicio que quiera ofrecer la red. • Tráfico no balanceado: No todos los nodos soportan y tratan la misma cantidad de tráfico. Normalmente habrá una gran cantidad de nodos genéricos enviando tráfico hacia un conjunto reducido de nodos, llamados nodos sumidero. • Redundancia de datos: En este tipo de redes se observa que muchos de los datos que se transmiten por ellas son redundantes o prácticamente iguales, cosa que da fiabilidad y robustez a la red, pero que produce en muchas ocasiones un gasto innecesario de energía. Para minimizar este efecto se usan técnicas de agregación selectiva de datos en los nodos de una cierta área, ya que la probabilidad de que esos datos sean similares es muy alta. Con esta técnica, aunque complica computacionalmente el nodo, y por ende, energéticamente, permite mantener la robustez de la red y decrementar la redundancia en los datos. Sin embargo, a efectos de mantener la calidad de servicio, se ha de tener en cuenta que este tipo de técnicas aumentaran la latencia. O.Ortiz - 12 -
  • 15. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores • Dinámicas en la red, debido a fallos en los nodos, en los enlaces, etc. • Balance de energía entre todos los nodos de la red, de forma que la energía de un nodo o de un pequeño grupo de ellos, no se agote demasiado pronto. • Escalabilidad: Estas redes pueden contener cientos o miles de sensores, por lo que la calidad de servicio se debería mantener aunque el número de nodos, o su densidad, aumente. • Múltiples nodos sumideros, que cada cual impondrá unos requisitos diferentes en la red. • Múltiples tipos de tráfico: Algunas aplicaciones necesitarán capturar datos procedentes de distintos tipos de sensores (temperatura, presión, humedad, etc.), se encuentren o no en el mismo nodo. Las lecturas generadas por estos sensores pueden tener diferentes características de calidad de servicio. • Paquetes críticos: Algunos mecanismos de calidad de servicio pueden necesitar el diferenciar unos paquetes de otros, en base a su importancia o a una estructura de prioridades. 3.2.- Arquitectura y diseño de una red inalámbrica de sensores Una vez vistos los problemas específicos a los que se enfrentan este tipo de redes para proporcionar calidad de servicio, vamos a estudiar un poco más en detalle cómo es el despliegue de estas redes, qué arquitecturas se suelen formar y qué cuestiones de diseño se tienen en cuenta en ellas. Figura 4: Aspecto físico de un nodo sensor o mota O.Ortiz - 13 -
  • 16. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores • Escenarios de redes Los dos elementos básicos que constituyen una red inalámbrica de sensores son las fuentes y los sumideros. Una fuente, normalmente un nodo sensor o mota, proporciona información al sumidero. El sumidero puede ser otro nodo sensor integrado en la red cumpliendo esa función específica, o bien un dispositivo externo que interactúe con ellos, o incluso una pasarela hacia otra red distinta. La siguiente figura muestra estas situaciones. Nodo Fuente Nodo Nodo Sumidero Nodo Nodo Fuente Nodo Nodo Sumidero Nodo Fuente Nodo Nodo Sumidero Figura 5: Tipos de sumideros Internet O.Ortiz - 14 -
  • 17. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores El problema está en que hay ocasiones en que la fuente no puede alcanzar directamente al sumidero, por ejemplo, porque no exista “visión directa” debido a algún obstáculo. Para solucionar este problema se utiliza encaminamiento multi- salto, que como ya hemos visto, optimiza además el consumo energético. Nodo Nodo Nodo Nodo Fuente Sumidero Obstáculo Figura 6: Comunicación multisalto Y para cubrir todas las posibilidades, se debe tener en cuenta que en muchas ocasiones contamos con múltiples fuentes y múltiples sumideros, donde en el caso más complejo, múltiples fuentes deben enviar información a múltiples sumideros, y toda o parte de la información tiene que alcanzar a todos o a algunos de los sumideros. O.Ortiz - 15 -
  • 18. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores Nodo Nodo Figura 7: Múltiples fuentes Nodo Nodo Nodo Nodo Nodo Nodo Nodo Figura 8: Múltiples sumideros Nodo O.Ortiz - 16 -
  • 19. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores Nodo Nodo Nodo Nodo Nodo Nodo Nodo Figura 9: Múltiples fuentes y múltiples sumideros En los escenarios presentados hasta ahora, todos los componentes que integran la red (fuentes y sumideros) son estáticos. Pero si algo caracteriza a cualquier red inalámbrica, es precisamente la movilidad. En las redes inalámbricas de sensores podemos encontrar tres tipos de movilidad y los protocolos de comunicación que se usen en ellas deben soportarlas: § Movilidad de los nodos. Típica en aplicaciones de localización, por ejemplo, seguimiento de ganado. La red debe organizase con la frecuencia suficiente para mantener un nivel de funcionalidad adecuado. § Movilidad de los sumideros. Típica en aplicaciones en las que un usuario móvil solicita datos de red desde una PDA o dispositivo similar. La red debe asegurar que los datos solicitados sigan y alcancen al sumidero, a pesar de sus movimientos. § Movilidad de los eventos. Típica en aplicaciones de seguimiento de objetos. La red debe asegurar que el evento que produzca el objeto O.Ortiz - 17 -
  • 20. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores a seguir será cubierto por un número suficiente de sensores durante todo su recorrido. • Dinámicas de red Tal y como hemos visto, tanto las fuentes como los sumideros y como los eventos monitorizados pueden ser estáticos o dinámicos. Cuando el objetivo de una red es la monitorización de eventos estáticos, como la prevención de incendios, por ejemplo, ésta puede trabajar en modo reactivo, generando tráfico única y exclusivamente cuando el evento monitorizado se produzca. En este modo de funcionamiento se pueden establecer rutas de encaminamiento bien definidas y optimizadas. Sin embargo, cuando los eventos son dinámicos, como en la detección y seguimiento de un objetivo, la red de funcionar en modo activo, informando periódicamente sobre él, generando bastante más tráfico que en la situación anterior y haciendo peligrar la estabilidad de las rutas, asi como otros parámetros, que como hemos visto, afectan a la calidad de servicio, como el factor energético o el ancho de banda. • Despliegue de nodos El despliegue topológico, o topográfico, de los nodos va a afectar directamente al protocolo de encaminamiento usado, y normalmente dependerá de la aplicación. El despliegue se puede hacer de una forma determinista, aleatoria o mixta. Un despliegue determinista implica conocer la posición de las fuentes y de los sumideros que constituyan la red, por lo que supondrá un emplazamiento manual de los mismos. La ventaja es que las rutas de encaminamiento pueden estar bien definidas y el uso de un protocolo adecuado de acceso al medio puede minimizar las colisiones entre transmisiones. Por el contrario, en un despliegue aleatorio o auto-organizado, los nodos se diseminan de forma aleatoria creando topologías de red Ad-Hoc, no previsibles a O.Ortiz - 18 -
  • 21. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores priori. En este tipo de despliegue la posición donde hayan quedado los sumideros es crítica para la eficiencia energética y el rendimiento de la red. Debido a esta última reflexión, se podría hacer un despliegue mixto en el que las fuentes se distribuyan de forma aleatoria y los sumideros de forma determinista, es decir, una vez vista cual ha sido la auto-organización de las fuentes, situar manualmente los sumideros en los lugares más idóneos a efectos de encaminamiento, energía y rendimiento. • Comunicación entre nodos Durante la creación de una infraestructura de red, el establecimiento de rutas de encaminamiento se ve directamente influido por el despliegue de nodos y por las consideraciones energéticas que se deban tener en cuenta. Un encaminamiento multi-salto puede llegar a consumir menos energía que un encaminamiento directo, aunque aumente la latencia y sobrecargue la gestión de la topología y el control de acceso al medio. Por el contrario, un encaminamiento directo puede ofrecer mejores resultados cuando las fuentes están próximas al sumidero, el problema es que normalmente en un despliegue aleatorio aparecen obstáculos entre las fuentes y los sumideros, haciendo inviable el uso de encaminamiento multi-salto. • Modelos de envío de datos hacia el sumidero Los protocolos de encaminamiento y de control de acceso al medio se van a ver influidos por el modelo de envío de datos que se use, ya que están directamente relacionados con el consumo de energía y la estabilidad de las rutas. Dependiendo de la aplicación para la que se haya previsto la red de sensores, podemos encontrar varias formas en las que la fuente envía datos al sumidero: § Modelo de envío continuo. Las fuentes envían datos continuamente al sumidero con una tasa de transmisión preestablecida. Se suele usar para enviar voz, imágenes o video en tiempo real, o en O.Ortiz - 19 -
  • 22. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores aquellas aplicaciones en las que al sumidero le pueda interesar almacenar datos periódicos de las medidas tomadas por los sensores. Este modelo combinado con una técnica de acceso al medio por división en el tiempo puede conseguir un ahorro bastante significativo de energía [Younis2003]. § Modelo de envío event-driven. Las fuentes envían datos al sumidero cuando se produce un evento. El evento, normalmente, no será detectado por un único sensor sino por un conjunto de ellos, que enviarán varios flujos de datos casi iguales hacia el sumidero, por lo que la redundancia será bastante alta. Además, el tráfico que se genera puede ser a ráfagas debido a un evento común. Las acciones de respuesta al evento detectado deben ser distribuidas de la forma más rápida y fiable posible y probablemente a otros sensores y actuadores distintos de los que detectaron el evento. Este modelo se suele usar en la mayor parte de las aplicaciones que requieran detección de eventos, de tiempo real y, normalmente, de misiones críticas, como por ejemplo la detección de una emergencia debido a un escape químico. Sumidero Evento Figura 10: Modelo de envío event-driven O.Ortiz - 20 -
  • 23. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores § Modelo de envío query-driven. Es similar al anterior con la diferencia de que en este modelo los datos son sondeados por el sumidero en vez de puestos en él. Las peticiones pueden enviarse bajo demanda, por lo que este modelo resulta también muy útil para realizar operaciones de gestión y reconfiguración de los nodos sensores. Igual que en el modelo anterior, las acciones de respuesta al evento detectado deben ser distribuidas de la forma más rápida y fiable. Este modelo se suele usar en aplicaciones tolerantes a retardos. § Modelo de envío híbrido. En muchas aplicaciones los modelos de envío vistos anteriormente coexisten en una misma red. En estos casos se requerirán mecanismos para ajustar diferentes tipos de parámetros de calidad de servicio para el tráfico existente. MODELO DE ENVIO CARACTERISTICA Event-driven Query-driven Continuo Punto a punto No No No Interactividad Si Si No Tolerancia a retardos No Depende de la aplicación Si Criticidad Si Si Si Tabla 1: Modelos de envío de datos • Capacidad de los nodos Cada nodo dentro de una red puede tener capacidades computacionales, de comunicación o de potencia distintas. Normalmente, y dependiendo de la aplicación, un nodo puede estar dedicado al reenvío de datos, a la detección de eventos o a la agregación de datos. Hacer que estas tres capacidades coexistan en un solo nodo puede conllevar unos costes de energía prohibitivos. La mayoría de los protocolos jerárquicos que se han propuesto, designan en un área un nodo más O.Ortiz - 21 -
  • 24. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores potente que los demás (cluster-head) en términos de energía, ancho de banda y potencia, que será el encargado de la agregación de datos y de la transmisión de los mismos hacia el sumidero [Subramanian2000] [Younis2002]. • Procesado “en red” En una red distribuida los nodos, además de cumplir con su misión específica, pueden estar involucrados en el funcionamiento de la propia red, pudiendo realizar funciones de procesado de información sobre los datos que están siendo transportados por ella. Este procesado “en red” de la información es actualmente un principio de diseño esencial en este tipo de redes. Ya existen varias técnicas, aunque este campo sigue abierto a nuevas propuestas. Analizaremos dos de ellas: la agregación de datos y la codificación distribuida de la fuente. § Agregación de datos. No siempre es necesario transportar todas las lecturas de los nodos sensores al sumidero, por ejemplo en el caso en el que la información relevante sea un valor medio o una diferencia entre dos valores. En este caso, un nodo intermedio puede agregar o condensar varias medidas de varios sensores en un nuevo dato, que será el que se transmitirá. El coste de procesamiento de ese conjunto de datos compensa el coste energético de haberlos transmitido de forma individual. La dificultad de esta técnica reside en la elección del nodo en el que realizar la agregación, de cuanto tiempo se deben esperar los datos a agregar y que impacto produciría la pérdida de paquetes. En las siguientes figuras se puede ver como en la de la izquierda, sin usar agregación y con encaminamiento multi-salto, viajan por la red 13 paquetes de datos y en la de la derecha, que sí usa agregación, sólo viajarían 6 paquetes. O.Ortiz - 22 -
  • 25. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores 1 1 1 1 Nodo Nodo Nodo Nodo 3 1 1 1 Nodo Nodo Nodo Nodo 1 1 6 1 Nodo Nodo Nodo Nodo Figura 11: Agregación de datos § Codificación distribuida de la fuente. La técnica anterior, condensa y sacrifica información para no tener que transmitir todos los bits de datos desde todas las fuentes al sumidero. Sin embargo, otra forma de conseguir esto sin tener que sacrificar datos, es haciendo una codificación y una compresión de datos previa en el nodo, tal y como se hace en las redes convencionales cuando, por ejemplo, se quiere transmitir una secuencia de video. La particularidad en estas redes es que habría que codificar la información procedente de varios sensores y con técnicas de codificación y compresión más ligeras, computacionalmente hablando, que las que se usan tradicionalmente en otras redes. Además, se ha de tener en cuenta que las lecturas que proporcionen dos nodos adyacentes serán muy similares, o lo que es lo mismo, su coeficiente de correlación estará muy próximo a 1. Ya hay propuestas teóricas que inciden en el estudio de la correlación de datos entre sensores, como por ejemplo O.Ortiz - 23 -
  • 26. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores el teorema propuesto por Slepian y Wolf [Slepian1973], que lleva su nombre. • Centricidad de datos En las redes tradicionales una comunicación viene determinada por un transmisor y un receptor, identificados cada uno por su dirección. En las redes inalámbricas de sensores no tiene tanta importancia el nodo en particular sino la información que es enviada a través de la red. Hay que tener en cuenta que en este tipo de redes un evento puede ser detectado de forma simultanea por varios nodos y a la aplicación le interesará la información del evento no la identidad de los nodos que lo detectaron. Por lo tanto, lo que tenemos es un tipo de direccionamiento centrado en la información (data-centric) y no en los nodos que la producen. El paradigma de direccionamiento data-centric ofrece desvinculación de identificadores (no es necesario distinguir entre comunicaciones punto a punto, punto a multipunto, etc.) y desvinculación de tiempo (no se especifica cuándo se generará una respuesta a los datos solicitados), además de mejorar el rendimiento y la eficiencia energética, haciendo a su vez que las redes sean más escalables. Existen varias formas de implementar una red data-centric, proporcionando toda una serie de interfaces que las aplicaciones usarían. Las más importantes son: § Redes solapadas y tablas hash distribuidas. Solución basada en las redes peer-to-peer en las que se forma una red superpuesta implementando una “tabla hash distribuida” [Weiser1993, Stoica2001]. Los datos deseados pueden ser identificados por medio de una clave determinada (una hash) y la “tabla hash distribuida”, proporcionando una o varias fuentes para los datos asociados a esa clave. § Paradigma publicador/suscriptor. Cualquier nodo interesado en recibir unos datos determinados puede suscribirse a ellos. Además, O.Ortiz - 24 -
  • 27. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores cualquier nodo puede publicar datos junto con sus tipos. Todos los suscriptores a un determinado tipo de datos se les notificará la aparición de nuevos datos si algún nodo los ha publicado. La suscripción y la publicación pueden ocurrir en instantes de tiempo distintos y sus identidades no tendrán que ser conocidas por ninguna de las dos partes. § Base de datos. La red de sensores se considera como una base de datos dinámica a la que se le formulan solicitudes [Fung2002, Imielinski1999]. Una propuesta para realizar consultas a la red inalámbrica de sensores es utilizar un lenguaje basado en SQL [Madden2002]. • Calidad de servicio Tal y como se comentó en el apartado 2 del presente trabajo, la calidad de servicio se puede estudiar desde dos perspectivas: calidad de servicio de bajo nivel, observable por los dispositivos de red, y calidad de servicio de alto nivel, observable por el usuario y dependientes en gran parte de la aplicación. Hasta ahora hemos estado hablando de la primera perspectiva estudiando parámetros como el ancho de banda, retardo, variación en el retardo, tasa de pérdida de paquetes, etc. Algunos de los parámetros que nos permitirán estudiar la calidad de servicio desde la segunda perspectiva, la mayoría de ellos subjetivos, son los siguientes: § Probabilidad de detección/notificación de eventos. Con él se intenta medir la probabilidad de que habiendo ocurrido un evento, éste no sea detectado o notificado a un sumidero interesado en él. § Error en la clasificación de eventos. El evento no solo debe ser detectado, sino también clasificado con la mayor exactitud posible. § Retardo en la detección de eventos. Determina el tiempo transcurrido desde que se detecta el evento hasta que se notifica. O.Ortiz - 25 -
  • 28. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores § Pérdida de notificaciones. Probabilidad de que notificaciones periódicas, requeridas por las aplicaciones, no lleguen. § Exactitud en el seguimiento. Las aplicaciones de seguimiento o tracking no deben perder el objeto seguido, de forma que la información sobre su posición debe ser lo más exacta posible. • Eficiencia energética Tal y como se han venido estudiando hasta ahora las redes inalámbricas de sensores, podemos afirmar que la “eficiencia energética” es uno de los objetivos de optimización más importantes. Ahora bien, bajo el término de eficiencia energética se pueden englobar muchos aspectos, algunos de ellos son: § Energía necesaria para informar de un evento. Se ha de minimizar la redundancia de datos derivada de la detección múltiple y simultanea de un evento. § Equilibrio energía-retardo. En ocasiones puede estar justificado un gasto “extra” de energía con el fin de minimizar el retardo en la transmisión de datos denominados “urgentes”, procedentes de eventos considerados de mayor importancia. § Tiempo de vida de la red. Es el tiempo durante el cual la red está operativa, o lo que es lo mismo, durante el que es capaz de completar las tareas para las que se diseñó. Se puede estudiar de tres formas: - Tiempo transcurrido hasta que muere el primer nodo - Tiempo transcurrido hasta que el 50% de los nodos se quedan sin energía. - Tiempo transcurrido hasta que ocurre una partición de la red, esto es, hasta que dos o mas partes de la red quedan aisladas entre sí, debido a la muerte de nodos. O.Ortiz - 26 -
  • 29. La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores • Robustez Las redes inalámbricas de sensores deben seguir activas a pesar de que unos cuantos nodos fallen debido al agotamiento de la batería, a cambios en el entorno, al corte del enlace de radio, etc. Evaluar todos estos aspectos para determinar la robustez de una red es una labor muy difícil y que depende de los modelos de fallos usados tanto para los nodos como para los enlaces de comunicación. • Pilas de protocolos basadas en componentes y optimización inter-capa Tal y como se comentó en el apartado 1 del presente trabajo, todas las redes inalámbricas de sensores requerirán y se verán influidas en gran manera por los protocolos de las capas física y enlace. Y habrá redes que requieran los servicios de las capas de red y transporte. Debido a esto, la tendencia es la de optimizar las comunicaciones entre las distintas capas usando arquitecturas inter-capa, pero siempre de una forma prudente, ya que un mal uso de ellas puede producir bucles retroalimentados y poner en peligro tanto la funcionalidad como la optimización de todo el sistema [Kawadia2003]. O.Ortiz - 27 -
  • 30. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores 4.- PROPUESTAS PARA PROPORCIONAR CALIDAD DE SERVICIO EN REDES INALAMBRICAS DE SENSORES 4.1.- Introducción Hasta la fecha se ha dedicado mucho esfuerzo en optimizar la eficiencia energética en las redes inalámbricas de sensores, centrándose en la investigación de nuevos protocolos de encaminamiento y de control de acceso al medio. Sin embargo, en lo que se refiere a la calidad de servicio, la experiencia es mucho más breve. Se han realizado algunos estudios sobre encaminamiento con calidad de servicio en redes móviles Ad-Hoc, pero nada serio en el contexto de las redes inalámbricas de sensores. Conseguir un soporte adecuado de calidad de servicio es uno de los retos más importantes dentro de cualquier red, incluidas las redes inalámbricas de sensores. En este apartado se van a describir de forma general las técnicas usadas para proporcionar calidad de servicio en este tipo de redes, centrándonos en los protocolos de la capa MAC, red y transporte. 4.2.- Protocolos MAC Para lograr que cualquier red, cuyo medio de transmisión esté compartido, opere de forma correcta, es imprescindible contar con un nivel MAC adecuado. La tarea fundamental de cualquiera de estos protocolos es el evitar o minimizar las colisiones que se pueden producir cuando dos o más nodos tratan de transmitir información por el medio de transmisión de forma simultanea. Se han desarrollado muchos protocolos MAC para redes convencionales, tanto cableadas como inalámbricas. Algunos tienen esquemas de asignación fija como el protocolo TDMA (acceso múltiple por división en el tiempo) o el CDMA (acceso múltiple por división de código) y otros, esquemas de asignación aleatoria basados en contención como el protocolo ALOHA, CSMA (acceso múltiple por detección de portadora) o el IEEE 802.11. O.Ortiz - 28 -
  • 31. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores Sin embargo, hay dos características típicas en las redes de sensores que hacen que todos estos protocolos no sean válidos para ellas: 1. Redundancia de datos: No es necesario recibir todos los paquetes de todos los nodos. Esto excluye los protocolos que usen esquemas de asignación fija. 2. Tráfico constante durante el tiempo de operación: Cuando un sumidero requiere información de los nodos, todos estos tendrán al menos un paquete que transmitir. Esto excluye los protocolos de acceso aleatorio, ya que están pensados para cuando el tráfico existente en la red es aleatorio y a ráfagas. Cuando se diseñe un protocolo MAC para una red inalámbrica de sensores se han de tener en cuentas las siguientes características: • Debe ser energéticamente eficiente. • Debe ser escalable ante los cambios de tamaño de la red, densidad de nodos y topología. • Debe tener en cuenta parámetros como la latencia, el retardo, el ancho de banda, etc. Históricamente, siempre que se ha diseñado un protocolo MAC se ha tratado de conseguir un alto throughput de unidades de paquetes por slot de tiempo, pero en un escenario de red como el que estamos analizando, no basta con contabilizar el número de paquetes que llegan a su destino, ya que dos sensores adyacentes pueden generar dos paquetes cuya información sea muy parecida. Proporcionarían mucha más información dos paquetes procedente de sensores alejados entre sí. Un buen protocolo MAC debería ser aquel logre, con el mínimo tiempo y utilizando la mínima cantidad de energía posible, realizar la tarea por la cual se ha desplegado la red de sensores. A continuación analizaremos los principales protocolos MAC con mecanismos de calidad de servicio para redes inalámbricas de sensores. O.Ortiz - 29 -
  • 32. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores • El protocolo B-MAC El protocolo B-MAC (Berkeley Media Access Protocol) [Polastre2004] es un protocolo de acceso al medio con escucha de portadora para redes inalámbricas de sensores. Proporciona una interfaz flexible para obtener un modo de operación de muy bajo consumo de energía, efectividad a la hora de evitar colisiones y una alta utilización de los canales. Emplea un esquema de preámbulo adaptativo, lo que le permite funcionar con muy bajo consumo, reduciendo el ciclo de trabajo al mínimo y minimizando el tiempo de escucha. Soporta reconfiguración “al vuelo” y proporciona interfaces bidireccionales para optimizar el rendimiento de los servicios del sistema (throughput, latencia ó conservación de energía). Es un protocolo simple, con un núcleo reducido y ofrece una serie de servicios a los niveles superiores que le permite soportar una amplia variedad de carga de trabajo en los sensores. Su efectividad está probada. Además, propone una interfaz adaptativa que permite a los servicios de middleware reconfigurar la carga de trabajo del protocolo MAC. Los objetivos que se propusieron en el diseño de este protocolo fueron los siguientes: § Modo de operación de bajo consumo de energía. § Efectividad evitando colisiones. § Implementación simple, con pocas líneas de código que puedan almacenarse en una memoria muy reducida. § Efectividad en la utilización del canal para bajas y altas tasas de transmisión de datos. § Reconfigurable por protocolos de red. § Tolerante a entornos cambiantes. § Escalable para un gran número de nodos. O.Ortiz - 30 -
  • 33. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores Para conseguir estos objetivos, B-MAC se diseñó siguiendo las directrices de los protocolos CSMA a las cuales se les añadió diversos mecanismos para que fueran funcionales en el contexto de las redes inalámbricas de sensores. Aunque B-MAC está indicado para aplicaciones de monitorización, aunque también soporta servicios adicionales como seguimiento de objetivos, localización, informe de aparición de eventos o, incluso, encaminamiento multi-salto. Aunque B-MAC es un protocolo del nivel de enlace, también ofrece algunos servicios propios del nivel de red, como organización, sincronización y encaminamiento, incluidos en su implementación. • El protocolo Z-MAC El protocolo Z-MAC (Zebra MAC) [Rhee2005] es un protocolo de acceso al medio híbrido para redes de inalámbricas de sensores que combina las ventajas de los protocolos TDMA y CSMA, minimizando sus inconvenientes. Su característica principal es la adaptabilidad que tiene al grado de contención de la red, de forma que si la contención es baja se comporta como CSMA y si es alta, como TDMA. Presenta, además, una gran robustez ante cambios de topología y fallos de sincronización. Al finalizar el despliegue de los nodos, Z-MAC asigna a cada uno de ellos un slot de tiempo inicial. Esto incurrirá en una alta sobrecarga de tráfico al principio, pero que se verá amortizada con un largo periodo de operación de la red y finalmente compensada con las mejoras que se obtienen en el throughput y en la eficiencia energética. La planificación del canal la realiza mediante el algoritmo DRAND [Rhee2004] (versión distribuida del algoritmo RAND), haciendo que cada nodo reutilice de forma periódica (frames) su slot de tiempo asignado inicialmente. Al nodo al que se le haya asignado un slot, será “propietario” de ese slot, pasando a ser “no propietarios” el resto de los nodos. Podrá haber más de un nodo O.Ortiz - 31 -
  • 34. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores propietario por slot, siempre y cuando estén situados a dos saltos o de distancia entre sí. A diferencia de TDMA, un nodo podrá transmitir durante cualquier slot de tiempo. Para transmitir durante un slot (no necesariamente al principio del mismo) se supervisa la portadora para verificar que el canal esta libre, siendo entonces cuando se transmite el paquete. Se implementa un esquema de prioridades, de forma que los nodos propietarios de un slot se les da opción a transmitir en él antes que a los no propietarios, reduciendo así la posibilidad de colisiones. En el caso de que los propietarios no hagan uso de su slot, los no propietarios podrían “robarlo” y transmitir en él. Una característica importante de este esquema de prioridades es que la probabilidad de que los propietarios accedan al canal puede ser ajustada independientemente de los nodos no propietarios. Z-MAC llega a ser más robusto que TDMA ante fallos de sincronización, variación de tiempo de canal, fallos de asignación de slot y cambios en la topología, debido a que sólo necesita sincronizar nodos vecinos que estén hasta dos saltos de distancia. Es más, incluso en los casos en los que la desincronización sea total, el rendimiento de Z-MAC sería comparable al de CSMA. • El protocolo MAC de tiempo real estricto Un proceso de tiempo real puede ser considerado como de tiempo real suave o de tiempo real estricto. Si un proceso del sistema es de tiempo real suave y tiene un fallo en tiempo de latencia (siempre dentro de unos límites establecidos), no conllevará un fallo general en el sistema. Sin embargo, un proceso del sistema de tiempo real estricto, si. El protocolo MAC de tiempo real estricto para redes inalámbricas de sensores lineales, fue publicado en [Watteyne2005] y está basado en otro protocolo MAC, también de tiempo real estricto, publicado en [Caccamo2002]. O.Ortiz - 32 -
  • 35. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores En [Caccamo2002] los nodos deben está organizados en células o celdas hexagonales, diferenciando entre comunicaciones intracelulares e intercelulares. Cada célula usa una frecuencia distinta para sus comunicaciones intracelulares, de forma que con 7 frecuencias distintas nos aseguramos que no existirán interferencias entre comunicaciones intracelulares de células vecinas. Dentro de cada célula, el acceso al medio se regula mediante el algoritmo EDF (Earliest Deadline First) [Caccamo2002]. Para las comunicaciones intercelulares se situará un nodo “router” en el centro de cada célula. Las seis direcciones posibles son denotadas por A, B, etc, y mediante la emisión de la frecuencia de la célula receptora, es posible la emisión direccional. Utilizando un frame de tiempo global se alternan las comunicaciones intra e intercelulares en una dirección determinada. 2 A 7 3 F B 3 1 6 4 E C 4 5 2 D Inter-cell Intra-cell Inter-cell Intra-cell Inter-cell Intra-cell Inter-cell Intra-cell A B C D time Figura 12: Comunicación intercelular en I-EDF [Caccamo2002] Sin embargo, este protocolo, tal y como está planteado, es prácticamente inviable en el contexto de la redes inalámbricas de sensores debido, entre otras cosas, a que se basa en una estructura celular rígida no compatible con un despliegue aleatorio de los nodos, a parte del alto coste que supone el tener nodos O.Ortiz - 33 -
  • 36. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores especiales, como los nodos “router” que deben tener un transceptor GPS para la sincronización global. El protocolo MAC que se propone en [Watteyne2005] es de tiempo real estricto para una red de sensores de bajo coste, despliegue aleatorio, sin diferenciación de nodos (no existen nodos “router”) y sin sincronización global del reloj (sin GPS). No hay consideraciones de encaminamiento, ya que en los tipos de aplicaciones soportadas, el área cubierta es lineal (las transmisiones de los nodos alcanzan ambos limites). En un extremo de la red se sitúa un sumidero que se encargará de recolectar los eventos captados por los sensores. Cada nodo debe conocer su coordenada del eje de abscisas (único eje, al no tratarse de una red en 2D), que lo identificará de forma única. Este valor podría ser establecido durante el despliegue. Los nodos están separados por una distancia situada entre distmin y distmax (distancia máxima a la cual pueden comunicarse los nodos). El enlace radio es bidireccional, por lo que cuando un nodo este situado entre otros dos, éste podrá comunicarse con cualquiera de ellos. Los nodos se comunican utilizando un ancho de banda constante BW (en bps); la longitud de los mensajes en bits son denotados mediante longitud<tipo de mensajes>. Cada nodo conoce a priori el valor maxrango (en metros), que es el máximo rango de emisión de un nodo en condiciones óptimas. Se considera que los eventos son aperiódicos; pueden ser generados por cualquier nodo y todos son de igual importancia. Bajo estas hipótesis, un nodo puede acceder al medio sólo si ha esperado durante un tiempo de backoff proporcional a la distancia que le separa del último nodo emisor, y no ha escuchado ningún otro mensaje durante este tiempo de espera. Si todos los nodos están separados entre sí una distancia mínima distmin , las colisiones serán evitadas. O.Ortiz - 34 -
  • 37. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores • El nivel MAC de IEEE 802.15.4 La especificación IEEE 802.15.4 [IEEE802.15.4,2003] ha sido recientemente adoptado como estándar de comunicación para las redes de área personal inalámbricas de baja tasa de transmisión (LR-WPANs, Low-Rate Wireless Personal Area Networks). Es lo suficientemente flexible y configurable como para poder adaptarse a los requisitos de muchas aplicaciones. De hecho, aunque no fue inicialmente diseñado para las redes inalámbricas de sensores, puede ser adaptado fácilmente a ellas, ya que la baja tasa de transmisión, el bajo consumo de energía y el bajo coste del despliegue de la red son parámetros claves de esta especificación. Capas Superiores IEEE 802.2 LLC Otros LLC IEEE 802.15.4 MAC IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 868/915 MHz 2400 MHz PHY PHY Figura 13: Torre de protocolos del estándar IEEE 802.15.4 El protocolo usado en la capa MAC de esta especificación proporciona ciclos de trabajo muy bajos (inferiores al 0,1%) y garantías de tiempo real mediante el uso del mecanismo de Slot de Tiempo Garantizado (GTS), características muy O.Ortiz - 35 -
  • 38. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores interesantes para redes donde el consumo de energía, el tiempo de vida y los requisitos de retardo sean críticos. 4.3.- Protocolos de Encaminamiento El encaminamiento en redes inalámbricas de sensores es más complejo que el encaminamiento en otras redes inalámbricas Ad-Hoc, y por su puesto, más complejo que en las redes convencionales. Los principales motivos son los siguientes: 1. No es posible construir y esquema de direccionamiento global, al estilo de IP. Además, en la mayoría de las ocasiones es más importante el hecho de obtener los datos que conocer la identidad de quién los envía. 2. La mayoría de las aplicaciones que hagan uso de estas redes van a requerir el dirigir flujos de datos originados en distintos nodos distantes entre sí, hacia un sumidero determinado. Normalmente, el encaminamiento se hará basándose en la información (data-centric). 3. Los datos generados en los nodos van a tener una gran redundancia, hecho que si se aprovechara adecuadamente se podría reducir el consumo de energía y mejorar el ancho de banda. 4. Hay que prestar especial cuidado a la hora de gestionar los recursos de los nodos ya que, como se ha comentado en apartados anteriores, están fuertemente limitados. 5. En la mayoría de las aplicaciones los nodos permanecerán estacionarios después del despliegue. En los casos en los que algunos nodos sean móviles, hay que tener en cuenta que esto originará cambios frecuentes e impredecibles en la topología, haciendo que la tarea de encontrar y mantener las rutas no sea nada trivial. 6. Es importante saber en todo momento la localización de los nodos, teniendo en cuenta que normalmente no es posible contar con un hardware específico de localización GPS (Global Positioning System), por lo que se debería prescindir de él [Intanagonwiwat2000]. Hay métodos basados en triangulación que O.Ortiz - 36 -
  • 39. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores permiten a los nodos calcular de forma aproximada su posición comprobando la potencia de la señal de radio desde unos puntos de referencia conocidos [Bulusu2000]. En general, los protocolos de encaminamiento en redes inalámbricas de sensores pueden estudiarse desde dos puntos de vista, dependiendo de la estructura de la red o del criterio de encaminamiento que se use. Dependiendo de la estructura de la red podemos tener encaminamiento plano (todos los nodos tienen la misma funcionalidad), encaminamiento jerárquico (los nodos jugarán diferentes roles dentro de la red) o encaminamiento basado en localización (la información de la posición de los nodos se usa para encaminar los datos dentro de la red). Y dependiendo del criterio de encaminamiento, tendremos protocolos basados en negociación, multitrayecto, petición, calidad de servicio o coherencia. Todos estos protocolos se consideraran adaptativos si pueden ser controlados ciertos parámetros suyos con el fin de amoldarse a las condiciones actuales de la red y a los niveles de energía disponibles. Otra posible clasificación de los protocolos de encaminamiento, atendiendo a cómo se encuentra la ruta, puede ser la siguiente: § Protocolos proactivos. Todas las rutas son calculadas antes de que se necesiten, preferibles cuando los nodos son estáticos. § Protocolos reactivos. Las rutas se descubren y se establecen bajo demanda, con el consumo de energía que lleva asociado. § Protocolos híbridos. Usan una combinación de los dos tipos anteriores. Otra clase de protocolos de encaminamiento son los llamados cooperativos. En este tipo de protocolos, los nodos envían datos a un nodo central donde pueden ser agregados o procesados de alguna forma, ayudando así a reducir el coste de las rutas, en términos de uso de energía. O.Ortiz - 37 -
  • 40. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores A continuación se presentarán brevemente las técnicas y protocolos de encaminamiento desarrollados más recientemente para redes inalámbricas de sensores, centrándonos en los basados en calidad de servicio. Para ello, se ha tenido en cuenta la clasificación de protocolos mostrada en la figura. Protocolos de Encaminamiento en Redes Inalámbricas de Sensores Estructura de Red Criterio de Encaminamiento Encaminamiento Encaminamiento Encaminamiento en redes en redes basado en planas jerárquicas localización Encaminamiento Encaminamiento Encaminamiento Encaminamiento basado en basado en basado en basado en multitrayecto petición negociación calidad de servicio Figura 14: Clasificación de los protocolos de encaminamiento 4.3.1- Protocolos de basados en la estructura de la red Los protocolos de encaminamiento en redes inalámbricas de sensores que se basan en la estructura de la red se pueden clasificar dentro de tres grandes grupos, tal y como se muestra en la figura anterior. En la siguiente clasificación de detallan los protocolos concretos, dentro de esos grupos, que se presentarán en este apartado. O.Ortiz - 38 -
  • 41. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores Sensor Protocols for Information via Negotation Difusión Dirigida Data-Centric Data Dissemination Encaminamiento en redes planas Encaminamiento basado en gradiente Active Query forwarding In sensor nEtwork Algoritmo de reenvío de coste mínimo Encaminamiento basado en ahorro de energía Protocolos basados en la estructura de la red Low Energy Adaptative Clustering Hierarchy Encaminamiento Threshold-sensitive Energy Efficient Protocols en redes jerárquicas Small Minimum Energy Communication Network Arquitectura de rejilla virtual Encaminamiento Geográfico y Conservador de Encaminamiento Energía basado en la MFR, DIR y GEDIR localización SPAN Figura 15: Clasificación de los protocolos de encaminamiento basados en la estructura de la red • Protocolos de Encaminamiento en redes planas En este tipo de redes todos los nodos juegan el mismo papel, colaborando unos con otros para hacer la captación de eventos de forma conjunta. Dada la gran cantidad de nodos que forman estas redes, no es viable el asignar un identificador a cada uno de ellos, por lo que un encaminamiento basado en la información es a priori lo más indicado. Los dos protocolos principales que siguen esta filosofía son “SPIN” y “difusión dirigida”, de los que derivan muchos otros protocolos que siguen conceptos similares. O.Ortiz - 39 -
  • 42. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores § Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN) Es una familia de protocolos de encaminamiento adaptativos, propuestos en [Heinzelman1999] y en [Kulik2002], que diseminan toda la información de cada nodo por la red, asumiendo que todos los nodos son potenciales estaciones base, de forma que como nodos muy próximos captarán información similar y sólo se distribuirán los datos que otros nodos no poseen. Esto permite, siguiendo el modelo query-driven, que ante una petición se obtenga una respuesta casi inmediata. Estos protocolos utilizan negociación de datos y algoritmos de adaptación de recursos. Los nodos que ejecutan SPIN asignan un nombre o etiqueta (metadatos) a los datos que recogen, cuyo formato depende normalmente de la aplicación. Esto permite que antes de comenzar una transmisión, pueda haber negociación de metadatos, reduciendo así al mínimo la redundancia en los datos propiamente dichos. Además, el protocolo puede saber en cada momento el nivel de energía del que dispone el nodo, adaptando asi su ejecución. Pueden funcionar incluso, en modo event-driven, distribuyendo información sin que haya habido una petición previa. Las dos ideas principales en las que se basa su diseño son: - Los nodos funcionan más eficientemente y conservan más energía mediante el envío de metadatos en vez de enviando todos los datos. - Las técnicas de inundación malgastan energía y ancho de banda ya que envían copias innecesarias de datos. SPIN se adapta muy bien a los cambios de topología de la red, ya que cada nodo sólo necesita conocer a sus vecinos, y consigue ahorrar bastante energía, ya que minimiza la redundancia de datos. Esto hace que sea apropiado en entornos donde los nodos son móviles, sin embargo, no puede garantizar la llegada de los datos. O.Ortiz - 40 -
  • 43. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores § Difusión Dirigida Protocolo propuesto en [Intanagonwiwat2000] que se basa en el paradigma data-centric, en la que se combinan los datos procedentes de varias fuentes (agregación de datos), reduciendo la redundancia y minimizando el número de retransmisiones, ahorrando así energía y prolongando el tiempo de vida de la red. A diferencia del encaminamiento punto a punto, se buscan rutas desde múltiples fuentes a un único destinatario, que es el encargado de realizar la agregación. Cuando el sumidero quiere pedir datos, difunde por la red unos intereses o tareas que deben ser realizadas por ella. Esta difusión se produce salto a salto hasta que llega a la fuente. Cuando un nodo recibe un interés establece un gradiente (valor de atributo y dirección) hacia los nodos desde los que recibió dicho interés. De todos los posibles caminos formados, se elige y se refuerza el de mayor gradiente. Sumidero Fuente Figura 16: Difusión dirigida: Propagación de intereses Sumidero Fuente Figura 17: Difusión dirigida: Establecimiento de gradientes O.Ortiz - 41 -
  • 44. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores Sumidero Fuente Figura 18: Difusión dirigida: Refuerzo de camino y envío de datos A diferencia del encaminamiento punto a punto, se buscan rutas desde múltiples fuentes a un único destinatario, que es el encargado de realizar la agregación. El objetivo principal es el ahorro de energía mediante la adecuada selección de caminos y el almacenamiento y procesado de los datos, aumentando así la eficiencia, la robustez y la escalabilidad. El rendimiento de los métodos de agregación usados en difusión dirigida dependen, entre otras cosas, de la posición del nodo fuente dentro de la red, del número de nodos fuente y de la topología de la red. Los dos modelos de ubicación de fuentes estudiados en [Intanagonwiwat2000] fueron el modelo event-radius y el modelo de orígenes aleatorios. Sumidero Sumidero Figura 19: Modelo Event-Radius Figura 20: Modelo de Orígenes Aleatorios O.Ortiz - 42 -
  • 45. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores § Data-centric Data Dissemination (D3) Este protocolo, descrito en [Ditzel2005], combina las ventajas del encaminamiento data-centric con la eficiencia energética de los protocolos MAC. Sus principales características son la eficiencia energética, su simplicidad y a capacidad de conservar la energía mediante el balanceo de tráfico y la agregación de datos. § Encaminamiento basado en gradiente Este protocolo, descrito en [Schugers2001], es una versión modificada de difusión dirigida, de forma que se registra el número de saltos cuando los intereses son enviados a través de la red, así cada nodo puede descubrir el mínimo número de saltos hacía el sumidero (“altura” del nodo). La diferencia entre la “altura” de un nodo y la de su vecino, define el gradiente de un enlace. Para balancear uniformemente el tráfico se utilizan técnicas de agregación y reparto equitativo de tráfico. § Active Query forwarding In sensor nEtwork (ACQUIRE) Este protocolo, publicado en [Sadagopan2003], esta basado en un mecanismo de peticiones data-centric. El protocolo considera a la red de sensores como una base de datos distribuida en la que el sumidero envía una petición y cada nodo que la reciba intentará responderla parcialmente utilizando su información en caché y reenviado su respuesta a otros nodos. Si la información en caché no estuviera actualizada, los nodos consultarán a sus vecinos situados en un radio de d saltos. Una vez que la petición llega a su destino, ésta es reenviada hacia atrás hacía el sumidero. § Algoritmo de reenvío de coste mínimo Este protocolo, descrito en [Ye2001], asume que la dirección de las rutas es siempre la misma, es decir, la localización del sumidero es fija. O.Ortiz - 43 -
  • 46. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores Cada nodo conoce el camino de menor coste desde él al sumidero. Cada mensaje reenviado por el nodo es difundido a sus vecinos. Cuando un nodo recibe el mensaje, lo chequea para comprobar si se encuentra en el camino de menor coste hacia el sumidero, si es así, se vuelve a difundir a los vecinos. Este proceso se repite hasta que se alcanza el sumidero. § Encaminamiento basado en ahorro de energía El objetivo de este protocolo, descrito en [Shah2002], es incrementar el tiempo de vida de la red manteniendo un conjunto de rutas elegidas mediante unos cálculos de probabilidad. El valor de esta probabilidad depende del consumo de energía producido en cada ruta. Teniendo varios caminos alternativos, se podrá elegir uno diferente cada vez que se quiera enviar datos evitándose de este modo que se consuma toda la energía de los nodos situados en un único camino. De este modo se logrará aumentar el tiempo de vida de la red mediante el balanceo equitativo de la energía entre todos los nodos. • Protocolos de Encaminamiento en redes jerárquicas En una arquitectura jerárquica no todos los nodos tienen la misma misión ni las mismas capacidades. Los nodos con mayor carga de energía se suelen dedicar al procesado y envío de información, mientras que los que tengan menos, se pueden dedicar a la captación de un evento. Con este planteamiento, la red va a estar formada por una serie de clusters de nodos, en los que uno de ellos tendrá tareas especiales (cluster head). Dentro del cluster se realizarán tareas de agregación y fusión de datos para minimizar el número de mensajes transmitidos al sumidero, reduciendo así la energía consumida. Este tipo de encaminamiento se divide en dos etapas: en la primera de ellas se seleccionan los cluster heads y en la segunda se lleva a cabo el encaminamiento propiamente dicho. Sin embargo, la mayoría de técnicas de este tipo no se centran O.Ortiz - 44 -
  • 47. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores en el encaminamiento, sino en “quién y cuándo se envía o se procesa (agrega) la información”. § Low Energy Adaptative Clustering Hierarchy (LEACH) El protocolo LEACH, introducido [Heinzelman2000], es un protocolo basado en cluster que maneja información distribuida dentro de él. Se seleccionan aleatoriamente unos pocos nodos para que actúen como cluster heads, y de forma periódica se irá rotando esta función por el resto de los nodos, de forma que se reparta el gasto energético extra que esta función supone. El cluster head comprime y agrega los datos que se reciben desde los nodos y envía un único mensaje al sumidero. En la especificación de LEACH, se recomienda usar un protocolo de nivel MAC basado en TDMA/CDMA, por ejemplo, Z-MAC. El periodo de operación de LEACH está dividido en dos fases, la fase de establecimiento y la fase activa. En la fase de establecimiento, se organizan los cluster y se seleccionan los cluster heads. En la fase activa, se realiza la transferencia de datos hacia el sumidero. Aunque LEACH es capaz de incrementar el tiempo de vida de la red, tiene una serie de debilidades debido a las suposiciones que realiza: - Asume que todos los nodos tienen potencia suficiente como para alcanzar al sumidero y que tienen capacidad computacional como para ejecutar el protocolo MAC necesario. Esto le hace inviable para redes desplegadas en zonas amplias. - Supone que los nodos siempre tienen datos que enviar, siendo muy parecidos los datos de nodos próximos. - En la distribución aleatoria de cluster-heads puede ocurrir que se concentren en un único sector de la red. - Asume que todos los nodos parten con la misma carga energética y que los cluster heads consumen más o menos lo mismo que un O.Ortiz - 45 -
  • 48. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores nodo normal (cuestión tratada en una revisión del LEACH, llamada LEACH con negociación [Heinzelman2000(2)]. PROTOCOLO DE ENCAMINAMIENTO CARACTERISTICA SPIN DIFUSION DIRIGIDA LEACH Ruta óptima No Si No Tiempo de vida de la red Bueno Bueno Muy Bueno Conservador de recursos Si Si Si Utiliza metadatos Si Si No Tabla 2: Comparativa de protocolos de encaminamiento § Threshold-sensitive Energy Efficient Protocols (TEEN y APTEEN) En [Manjeshw2001] y en [Manjeshw2002] se proponen dos protocolos de encaminamiento con requisitos de tiempo real, el protocolo TEEN (Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Network protocol) y el APTEEN (Adaptative Periodic Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Network protocol), respectivamente. En el protocolo TEEN los nodos están sondeando el medio constantemente. El nodo que actúe de cluster head envía al resto de los nodos del cluster dos valores: un valor mínimo y un umbral de disparo. Los nodos no transmitirán ningún dato por debajo del valor mínimo, reduciendo así el número de transmisiones, ni cuando el cambio en el valor captado esté por debajo del umbral de disparo, reduciendo igualmente las transmisiones ya que no se enviará nada si el valor captado no experimenta una variación determinada. Reduciendo el umbral de disparo podemos hacer que los datos recibidos por el sumidero tengan mayor resolución, pero esto incrementaría el número de transmisiones y por lo tanto el consumo energético. El usuario debe buscar el compromiso de calidad que considere adecuado. O.Ortiz - 46 -
  • 49. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores Si los nodos del cluster no recibieran por cualquier motivo ninguno de los valores umbrales, no llegarían a transmitir ningún datos o transmitirían datos erróneos. Su característica principal y más interesante es su buena adaptabilidad a aplicaciones con requisitos de tiempo real de exigencia media. El protocolo APTEEN es un protocolo híbrido capaz de variar la periodicidad o los valores de los umbrales que el cluster head difunde a los nodos, según las necesidades del usuario y el tipo de aplicación. En APTEEN, los cluster heads difunden los siguientes parámetros: - Atributos. Es un conjunto de parámetros físicos que pueden proporcional alguna información de interés para el usuario. - Umbrales. Los mismo valores y con las mismas funciones que en TEEN. - Periodo de información. Si un nodo no enviase información durante un periodo de tiempo igual a este valor, se le forzaría a hacerlo, transmitiendo los últimos valores que hubiera captado. - Planificación. Se usa una planificación TDMA modificada que le permite combinar políticas proactivas y reactivas, ofreciendo gran flexibilidad al permitir al usuario establecer los valores umbrales y de periodo de información. Simulaciones de estos protocolos demuestran que superan en rendimiento a LEACH y entre ellos dos, TEEN da un mayor rendimiento debido a que minimiza el número de transmisiones. § Small Minimum Energy Communication Network (SMECN) Este protocolo ha sido descrito en [Rodoplu1999]. Su objetivo es dividir la red en subredes o clusters energéticamente más eficientes. A cada nodo se le asigna una región de envío, que consiste en un área a través de la O.Ortiz - 47 -
  • 50. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores cual el envío de datos es más eficiente, energéticamente hablando, que por otras zonas de la red. La idea principal de SMECN es encontrar una subred que tenga menos nodos y que, por lo tanto, requiera menos saltos para alcanzar el sumidero. El protocolo es autoconfigurable y por ello puede adaptarse dinámicamente a los fallos de nodos. § Arquitectura de rejilla virtual Esta propuesta de encaminamiento, presentada en [Jamal2004], se basa en la agregación y procesamiento de datos para alcanzar la eficiencia energética. Tiene en cuenta la poca movilidad de los nodos, por lo que los sitúa en una topología fija con clusters fijos, iguales, adyacentes y no superpuestos. La agregación de datos se hace, en un primer nivel, de forma local por un conjunto de cluster heads designados como Agregadores Locales. Y en un segundo nivel, se realiza una agregación global por un subconjunto de agregadores locales, designados como Agregadores Maestros. Sumidero Nodo Nodo Agregador Local Nodo Agregador Maestro Figura 21: Arquitectura de rejilla virtual O.Ortiz - 48 -
  • 51. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores • Protocolos de Encaminamiento basados en la localización Este tipo de protocolos de encaminamiento identifican a los nodos por su localización, estimando la distancia entre ellos en base a la potencia de la señal recibida. Las coordenadas de los nodos se pueden obtener de varias formas: - mediante el intercambio de información entre vecinos ([Bulusu2000], [Savvides2000] y [Capkun2001]). - mediante la comunicación con un satélite, utilizando receptores GPS de baja potencia [Xu2001] (opción poco recomendable). Independientemente de esto, se suelen mantener el mayor número de nodos en modo de hibernación, siempre que no haya actividad, con el objetivo de ahorrar energía. El problema estará a la hora de diseñar los planificadores de periodos de hibernación de manera localizada, problema planteado en [Chen2002, Xu2001]. Describiremos brevemente alguno de ellos. § Encaminamiento Geográfico y Conservador de Energía (EGCE) Este protocolo ([Yu2001]) selecciona los nodos teniendo en cuenta su situación geográfica y el gasto de energético. Disemina por la red determinados “intereses” de forma similar a como lo hace “difusión dirigida”, pero sólo a una región determinada de la red y no a la red completa. Cada nodo guarda información sobre varios parámetros (principalmente distancia, energía y densidad de las zonas a atravesar) con los cuales se realiza una estimación del coste para alcanzar un destino. § Most Forward within Radious (MFR), compass routing method (DIR) y The Geographic Distance Routing (GEDIR) Estos protocolos de encaminamiento se describen en [Stojmenovic1999] e implementan métodos básicos basados en distancias, progreso y dirección. La clave se encuentra en la dirección de ida y de O.Ortiz - 49 -
  • 52. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores vuelta. Un nodo fuente o cualquier nodo intermedio seleccionarán uno de sus vecinos de acuerdo a unos ciertos criterios. GEDIR siempre mueve el paquete al vecino cuya distancia al destino sea mínima. Para DIR, el mejor vecino es aquel que se encuentra en la dirección más próxima al destino. En la mayoría de los casos, el método MFR establece la misma ruta al destino. Los métodos GEDIR y MFR están libres de bucles, sin embargo el método DIR puede crear bucles, a menos que el tráfico que pase sea memorizado o se implemente un sistema de temporizadores. § SPAN SPAN [Chen2002] selecciona algunos nodos como coordinadores teniendo en cuenta sus posiciones. Los coordinadores forman una red backbone que es utilizada para reenviar los mensajes. Un nodo deberá ser un coordinador si dos de sus vecinos no pueden comunicarse directamente o a través de uno o dos coordinadores. Los coordinadores nuevos y los ya existentes no tienen porque ser necesariamente vecinos, lo que hace que el diseño sea menos eficiente en cuanto a energía debido a la necesidad de mantener la distancia de dos o tres saltos a los vecinos. 4.3.2- Protocolos de basados en el criterio de encaminamiento • Protocolos basados en multitrayecto Este tipo de protocolos se basan en la utilización de múltiples rutas para mejorar el rendimiento de la red. La tolerancia a fallos de un protocolo puede medirse por la probabilidad de que exista un camino alternativo o camino de backup entre una fuente y un destino cuando el camino principal queda fuera de servicio. Estos caminos alternativos se mantienen activos enviando de forma O.Ortiz - 50 -
  • 53. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores periódica mensajes de tipo keep-alive. La tolerancia aumenta al incrementarse el número de trayectos disponibles, pero también el consumo energético y el tráfico. En [Chang2000] se propone un algoritmo que encamina los datos a través del trayecto cuyos nodos tengan mayor energía residual, cambiando de ruta si se descubre una con mejores características. La ruta principal será utilizada hasta que la energía de sus nodos caiga por debajo de un cierto umbral y se conmute a una ruta de backup, alternándose así los diferentes caminos existentes. Sin embargo, lo que no se ha tenido en cuenta en este estudio son los costes que supone realizar el cambio de ruta. En [Rahul2002] se propone la utilización ocasional de un conjunto de caminos subóptimos para incrementar el tiempo de vida de la red. Estos caminos son seleccionados mediante una probabilidad que será mayor cuanta menos energía se deba utilizar para alcanzar el destino. [Li2001] se centra directamente en aquellos caminos que son eficientes energéticamente, en vez de hacer un estudio de la energía residual de la red. En [Dulman2003], el encaminamiento multitrayecto se usa para mejorar la fiabilidad de las redes inalámbricas de sensores. El esquema propuesto es muy útil para el envío de datos en entornos poco fiables. La fiabilidad de la red se puede incrementar proporcionando varios caminos desde la fuente al destino y enviando el mismo paquete por cada ruta. Sin embargo, utilizando esta técnica, el tráfico se incrementa significativamente. Deberá existir un compromiso entre la cantidad de tráfico y la fiabilidad de la red. • Protocolos basados en petición En este tipo de protocolos de encaminamiento, los nodos propagan una petición de datos (tareas de captación) a través de la red y cuando un nodo (afectado por la petición anterior) haya obtenido la información que pidió el nodo iniciador, retornará dicha información. Normalmente las peticiones son descritas en lenguaje natural o lenguaje de alto nivel. Todos los nodos tienen tablas con las O.Ortiz - 51 -
  • 54. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores tareas de captación que se le han encomendado, y mandan la información correspondiente cuando hayan finalizado la tarea de captación. La difusión dirigida es un ejemplo de este tipo de encaminamiento (el sumidero manda los mensajes de “requisitos” a los nodos). • Protocolos basados en negociación Estos protocolos usan descriptores de datos de alto nivel para eliminar la redundancia de datos de las transmisiones mediante negociaciones. Las decisiones de comunicación son tomadas en base a los recursos que están disponibles. Los protocolos de la familia SPIN y los presentados en [Kulik2002] son ejemplos de protocolos basados en negociación. • Protocolos basados en calidad de servicio La calidad de servicio es de vital importancia para las aplicaciones de tiempo real sobre redes inalámbricas de sensores. Igual que hablamos de tiempo real estricto y tiempo real suave, también existe el concepto de calidad de servicio fuerte y calidad de servicio suave. El tráfico que genera una aplicación en tiempo real se caracteriza por un flujo de datos periódico, definido dentro de una sesión, que dura un intervalo de tiempo. Una calidad de servicio fuerte implica mantener las especificaciones de calidad durante toda la sesión, cosa difícil de garantizar debido a la naturaleza cambiante del medio, sin embargo una calidad de servicio suave si puede estar cubierta por la red [Veres2001]. Una sesión tendrá requisitos de calidad de servicio suave si hay periodos transitorios en los que no se cumple la especificación de calidad de servicio [Mohapatra2002]. Para lograr esta calidad de servicio, la capa de red, dentro de la arquitectura de protocolos, es de suma importancia debido a que: - es la responsable de establecer las rutas para unir dos puntos distantes dentro de la red, proporcionando eficiencia energética y O.Ortiz - 52 -
  • 55. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores estabilidad, aunque el entorno sea cambiante. Un encaminamiento multitrayecto y una transmisión multisalto pueden ser muy interesantes, teniendo en cuenta los compromisos energía-latencia que llevan asociados. - sirve de intermediario entre las capas MAC y la aplicación, mapeando los parámetros de calidad de servicio de la aplicación a los parámetros de rendimiento de la capa MAC, y viceversa. Para proporcionar una solución global de calidad de servicio, el protocolo de encaminamiento tiene que estar orientado a ella. Ya hay muchos estudios sobre protocolos de encaminamiento orientados a la calidad de servicio en el escenario de las redes inalámbrica ad-hoc [Lin2001, Chen1999], pero no se pueden extrapolar a las redes inalámbricas de sensores debido a las limitaciones de energía y potencia computacional asociadas a estas redes. En [Chen2004] y en [Younis2004] se han investigado los mecanismos para proporcionar calidad de servicio al tráfico de las redes inalámbricas de sensores, sin embargo en estos trabajos no se ha realizado una clasificación de los mecanismos utilizados. A continuación introduciremos una clasificación de las soluciones propuestas sobre calidad de servicio en la capa de red, basándonos en el mecanismo subyacente utilizado. Como se puede ver en la siguiente figura, hay dos grandes categorías, las soluciones basadas en puntualidad y las basadas en fiabilidad. O.Ortiz - 53 -
  • 56. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores IntServ como Mecanismo (punto a punto) [Stankovic2003] Paquetes del mismo flujo tienen la misma prioridad [Sohrabi2000] Prioridad Puntualidad Constante Soluciones de Misma prioridad para calidad de servicio DiffServ todos los paquetes de para la capa de red (por paquete) tiempo real [Akkaya2003] Prioridad Diferenciada (puede cambiar en cada salto) [Chenyang2001] [Felemban2005] Encaminamiento Multitrayecto Fiabilidad [Deb2003] [Felemban2005] Figura 22: Clasificación de las soluciones de calidad de servicio en la capa de red § Soluciones de calidad de servicio basadas en puntualidad Se clasifican dentro de dos grandes grupos: IntServ (Servicios Integrados, basados en reserva de recursos) y DiffServ (Servicios Diferenciados, basados en clases de tráfico). En IntServ, la puntualidad en la llegada de los paquetes se proporciona mediante la reserva por flujos, idea poco escalable para las redes inalámbricas de sensores. Un protocolo de encaminamiento que sigue esta idea es el protocolo SPEED, propuesto en [He2003], que utiliza el reenvío geográfico no determinístico como principal mecanismo de encaminamiento. Este mecanismo es capaz de encaminar paquetes sin el establecimiento previo de una ruta punto a punto. O.Ortiz - 54 -
  • 57. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores En DiffServ, y dentro de los protocolos de “prioridad constante”, tenemos el protocolo SAR [Sohrabi2000], uno de los primeros propuestos, que asigna una prioridad determinada e inalterable a los paquetes perteneciente a un flujo o sesión. Puede manejar múltiples niveles de prioridad, pero la extensa tabla de rutas que necesita hace que no sea adecuado para grandes redes. Otro protocolo de prioridad constante es el que se propone en [Akkaya2003] para tráfico en tiempo real procedente de nodos con sensores de imagen. Maneja dos tipos de tráfico: best effort y tiempo real, no soportando varias prioridades dentro de cada tipo de tráfico. Finalmente, dentro de los de “prioridad diferenciada”, nos encontramos el protocolo MMSPEED (Multi-path Multi-speed Routing Protocol) [Felemban2005] que proporciona garantías de calidad de servicio tanto en puntualidad como en fiabilidad. En fiabilidad, usando encaminamiento multitrayecto con un número de caminos dependiente del grado de fiabilidad requerido por el paquete, y en puntualidad, cediendo diversos anchos de banda para garantizar la velocidad de los paquetes. § Soluciones de calidad de servicio basadas en fiabilidad El mecanismo más común usado en redes inalámbricas de sensores para proporcionar fiabilidad es el encaminamiento multitrayecto, enviado varias copias de la misma información sobre caminos distintos. Dos soluciones propuestas, basadas en este tipo de encaminamiento, son ReInForm [Deb2003] y MMSPEED [Felemban2005]. En ReInForm, la fiabilidad punto a punto se consigue observando la información del paquete y la adaptabilidad a errores del canal para crear una asignación diferencial de los recursos de la red basada en la importancia de los datos. En MMSPEED, cada nodo fuente asigna un valor de probabilidad a un paquete, definiendo así la fiabilidad requerida. Este valor será asignado en función de la importancia de los datos que contenga el paquete. O.Ortiz - 55 -
  • 58. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores 4.4.- Protocolos de Transporte Un protocolo de nivel de transporte debe tener como objetivo minimizar la congestión, y la pérdida de paquetes, gestionar la asignación del ancho de banda y garantizar fiabilidad extremo a extremo. Los protocolos de este nivel que se están usando actualmente (UDP y TCP) no se pueden implementar directamente sobre una red inalámbrica de sensores. Por ejemplo, UDP no es un protocolo fiable y no ofrece control de congestión, por otra parte, TCP lleva asociada una sobrecarga implícita en el establecimiento y en la liberación de la conexión que hace que no sea energéticamente eficiente, entre otras cosas. Cualquier protocolo de transporte que se diseñe para una red inalámbrica de sensores, ha de hacerse pensando en que los dos problemas principales a los que se tiene que enfrentar en este tipo de redes son la congestión y la pérdida de paquetes. Los parámetros de diseño con los que se puede jugar para conseguir estos objetivos son los siguientes: • Factores de optimización. El rendimiento de los protocolos de transporte puede ser evaluado utilizando distintas métricas, como: § Eficiencia energética. La pérdida de paquetes suele derivar en retransmisiones y por lo tanto en consumo de energía. § Fiabilidad. - de paquete: hay aplicaciones que requieren una transmisión exitosa de todos los paquetes. - de eventos: hay aplicaciones que sólo requieren una detección de eventos precia. [Sankarasubramaniam2003] § Métricas de calidad de servicio. En ellas se incluye en ancho de banda, la latencia o retardo y la tasa de pérdida de paquetes. § Equilibrio. El gran área geográfica de despliegue de los nodos hace que no estén todos en igualdad de condiciones a la hora de transmitir sus datos hacia el sumidero. Los protocolos de transporte deben asignar anchos de banda de forma equilibrada O.Ortiz - 56 -
  • 59. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores para obtener una cantidad de datos compensada de todos los nodos sensores. • Control de congestión. Las causas principales que provocan congestión en las redes inalámbricas de sensores son, que la tasa de llegada de paquetes exceda la tasa de servicio (más probable en los nodos cercanos al sumidero) o debido a aspectos de rendimiento del enlace tales como la contención, interferencia o tasa de error de bit. La congestión tiene un impacto directo en la eficiencia energética y en la calidad de servicio de la aplicación, por lo que hay que tratar de eliminarla , o al menos minimizarla. Hay tres mecanismos que se suelen usar para controlarla: § Detección de congestión. Se usan mecanismos que permitan determinar una longitud de cola [Hull2004, Wan2003], un tiempo de servicio [Ee2004], o la proporción de tiempo de servicio de paquete sobre el intervalo de tiempo entre nodos intermedios [Wang2006]. § Notificación de congestión. Una vez detectada, tiene que propagar esa información hacia los nodos que están provocando la congestión. Puede hacerlo de dos formas: - De forma explícita: se usan mensajes de control especiales - De forma implícita: la notificación va incluida dentro de paquetes de datos normales. § Ajuste de tasa. Cuando un nodo sensor recibe una indicación de congestión, debe ajustar su tasa de transmisión de la forma más precisa posible. • Recuperación ante pérdidas. En entornos inalámbricos, la congestión, fallos en los nodos, información de encaminamiento errónea, agotamiento de recursos energéticos, etc, pueden causar pérdidas de paquetes, deteriorando así la calidad de servicio ofrecida. Hay dos métodos para abordar este problema, el primero es O.Ortiz - 57 -
  • 60. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores incrementar la tasa de envío de la fuente, pero el excesivo gasto energético que conlleva lo hace prohibitivo en muchas ocasiones, y el segundo es introducir una recuperación ante pérdidas, método mucho más activo y energéticamente eficiente. La recuperación ante pérdidas se puede llevar a cabo de dos formas: § Notificación y detección de pérdidas. Por ejemplo, dotando a cada paquete de un número de secuencia para detectar si falta alguno. Es preferible una detección y notificación salto a salto, a una punto a punto, ya que solamente dos nodos vecinos serán los responsables de la detección de pérdidas y pueden activar la retransmisión local, que es energéticamente mucho más eficiente que si se hiciera punto a punto. También se puede identificar la razón de la pérdida del paquete, hecho que se puede utilizar para mejorar el rendimiento del sistema. § Recuperación ante pérdidas basada en retransmisión. La retransmisión de paquetes perdidos o dañados también puede hacerse punto a punto o salto a salto. • Guía de diseño. Según hemos visto, los protocolos de transporte diseñados para redes inalámbricas de sensores deben tener componentes que incluyan control de congestión y recuperación ante pérdidas. Ahora bien, hay dos formas de conseguir esto, la primera sería diseñar protocolos o algoritmos separados para cada una de esas dos cosas, y la segunda, hacer un diseño completo que proporcione control de congestión y de pérdidas de forma integrada. La mayoría de los protocolos utilizan el primer enfoque, por ejemplo, protocolos de control de congestión son: CODA (Congestion Detection and Avoidance) [Wan2003], Fusion [Hull2004], CCF (Control and Fairness) [Ee2004], Siphon [Wan2005], ARC (Adaptive Rate Control) [Woo2004] o Tickle [Levis], mientras que protocolos que proporcionen fiabilidad de transporte tenemos: PSFQ (Slowly Fetch Quickly) [Wan2002], RMST (Reliable Multi-Segment Trasnport) [Stann2005] o RBC (Reliable Bursty Convergecast) [Zhang2005]. Con el O.Ortiz - 58 -
  • 61. Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores segundo enfoque tenemos, por ejemplo, el protocolo STCP (Sensor Transmisión Control Protocol) [Iyer2005], que implementa tanto control de congestión como fiabilidad en un único protocolo. O.Ortiz - 59 -
  • 62. Aplicaciones con Requisitos de Calidad de Servicio 5.- APLICACIONES CON REQUISITOS DE CALIDAD DE SERVICIO Las primeras aplicaciones que se desarrollaron para redes inalámbricas de sensores eran de carácter militar, tales como vigilancia de campos de batalla, seguimiento de enemigos, etc., sin embargo actualmente se están desarrollando todo tipo de aplicaciones civiles. Dentro de todas estas aplicaciones hay tres sectores en los que se requieren unos parámetros de calidad de servicio exigentes, el cuidado medioambiental, la salud y la seguridad y vigilancia. Estudiemos brevemente cada una de ellas: • Monitorización medioambiental para servicios de emergencia. Permiten supervisar áreas de hasta cientos de kilómetros cuadrados, obteniendo medidas e información sobre espacios naturales donde no sería posible hacerlo con otros métodos. El problema más importante a resolver es la localización detallada de eventos, teniendo en cuenta la variabilidad del medio debido a fenómenos atmosféricos o a seres vivos. Estos sistemas están exentos de infraestructura, deben ser muy robustos, tolerantes a fallos y muy eficientes en cuestiones de energía. Como resumen, podemos ilustrar lo siguiente: Tolerancia a fallos Libre de infraestructura Comunes a Localización todas las aplicaciones Eficiencia energética Coste de producción y mantenimiento reducido Características y requisitos Escalabilidad de las aplicaciones de monitorización medioambiental Grado de autonomía Heterogeneidad de sensores Específicas de Movilidad cada aplicación Tiempo real Seguridad Sincronización de tiempo Figura 23: Aplicaciones de monitorización medioambiental O.Ortiz - 60 -
  • 63. Aplicaciones con Requisitos de Calidad de Servicio • Salud. Permiten la telemonitorización de datos fisiológicos humanos, el seguimiento y monitorización de médicos y pacientes dentro de un hospital, la administración adecuada de medicinas, etc. Se caracterizan por su heterogeneidad ya que puede haber sensores de varios tipos y uno de los problemas más importantes es poder determinar con exactitud dónde se encuentra la persona que está siendo monitorizada (método de localización). Son sistemas de salto único con una infraestructura bastante estable, por lo que la movilidad no es un elemento crítico, pero si el retardo de propagación de los eventos. La fiabilidad de la transmisión y el contexto en el que se hace también son factores importantes a tener en cuenta. Como resumen, podemos ilustrar lo siguiente: Consciencia del contexto Heterogeneidad Comunes a todas las Localización aplicaciones Tiempo real Características y Fialbilidad requisitos de las aplicaciones de salud Grado de autonomía Tolerancia a fallos Específicas de Libre de infraestructura cada aplicación Movilidad Eficiencia energética Seguridad Sincronización de tiempo Figura 24: Aplicaciones de salud • Seguridad y vigilancia. Estas aplicaciones pueden establecerse en entornos tan variados como desiertos, bosques, áreas urbanas, zonas de actividad sísmica, etc. Permiten actuar rápidamente ante desastres naturales como inundaciones o terremotos gracias a su pronta detección. Estas aplicaciones también se usan O.Ortiz - 61 -
  • 64. Aplicaciones con Requisitos de Calidad de Servicio para realizar detección y seguimiento de eventos dentro de un área observada. Tienen una gran cantidad de requisitos para que puedan llegar a ser eficaces: tiempo real, seguridad, robustez, son alguno de ellos. Como resumen, podemos ilustrar lo siguiente: Tolerancia a fallos Libre de infraestructura Localización Comunes a todas las Eficiencia energética aplicaciones Tiempo real Características y requisitos Escalabilidad de las aplicaciones de Seguridad seguridad y vigilancia Sincronización de tiempo Cierto grado de autonomía Específicas de Heterogeneidad cada aplicación Movilidad Coste de producción y mantenimiento reducido Figura 25: Aplicaciones de seguridad y vigilancia O.Ortiz - 62 -
  • 65. Propuesta de encaminamiento en una red inalámbrica de sensores 6.- PROPUESTA DE ENCAMINAMIENTO EN UNA RED INALAMBRICA DE SENSORES De todas las propuestas de encaminamiento presentadas en este trabajo, nos vamos a centrar en los protocolos de encaminamiento basados en localización en los que, según vimos, los nodos se identifican por su localización. Para obtener las coordenadas de los nodos se han propuesto varias formas, todas ellas agrupadas en dos tendencias, mediante el intercambio de información entre nodos vecinos y mediante la comunicación con un satélite utilizando receptores GPS de baja potencia. La primera forma de obtener las coordenadas implica una fase de inicialización de la red en la que el tráfico es intenso y el consumo energético es elevado. La segunda forma, sin embargo, no tiene este problema, ya que las coordenadas las obtendría directamente por el sistema GPS, pero el encarecimiento de los nodos hace prohibitivo un despliegue a gran escala de este tipo de nodos. En este presente apartado vamos a proponer un forma híbrida entre los dos métodos anteriores. La idea se basa en tener perfectamente localizados una serie de nodos, llamados nodos maestros, que pueden ser nodos agregadores, como en una arquitectura de rejilla virtual, o incluso sumideros. El resto de los nodos calcularán su posición partiendo de las coordenadas fijas del nodo maestro más cercano, mediante algoritmos de triangulación basados en relaciones energía/distancia, e intercambio de información entre vecinos. El problema que se plantea ahora es cómo tener perfectamente localizados a los nodos maestros. Una posible solución podría ser el dotarles de un receptor GPS de baja potencia, pero si este nodo va a estar en una posición fija y estable, esta solución estaría sobredimensionada, cuando simplemente bastaría con que ese nodo tuviera registradas sus coordenadas en memoria no volátil. La forma de posicionar estos nodos de una forma exacta sin usar ningún método de posicionamiento adicional es usar como referencia los vértices geodésicos de la red topográfica. O.Ortiz - 63 -
  • 66. Propuesta de encaminamiento en una red inalámbrica de sensores Un vértice geodésico es una señal informativa permanente que podemos encontrar en el campo, que nos indica la altura exacta de ese punto sobre el nivel del mar, y que forma parte de una red de triángulos cuyas coordenadas se han calculado con la mayor precisión posible. La red de triángulos es de carácter planetario. Todo el globo está comunicado a través de vértices geodésicos, que además se basan en el mismo sistema de coordenadas. Está representado, por lo general, por un cilindro de 120 cm. de altura, montado sobre un pedestal de hormigón, y pintado de color blanco. En vez de cilindros, también los hay representados por señales prismáticas. La señal sirve para colocar sobre el cilindro el instrumental topográfico para hacer mediciones. Desde cada señal además, se divisan otros vértices geodésicos, razón por la que están siempre colocados en los lugares más altos, despejados y con amplias visiones paisajísticas. Figura 26: Vértice geodésico O.Ortiz - 64 -
  • 67. Propuesta de encaminamiento en una red inalámbrica de sensores Los vértices geodésicos se catalogan en categorías de 1º, 2º y 3er orden. La red de primer orden tiene sus vértices separados unos 40 Km. La de segundo orden, los tiene separados unos 20 Km. y la de tercer orden entre 4 y 5 Km., siendo la red de primer orden la de mayor precisión. Con el objetivo de proteger y realizar el debido mantenimiento de los vértices geodésicos, existe la “Ley de señales geodésicas y geofísicas” en vigor desde los años 70. Dicha ley encarga la custodia de las señales a los alcaldes y a los ayuntamientos, no sólo en lo referente a su cuidado, sino también a la prevención de actividades que pudiesen entorpecer su uso, o la edificación en los alrededores que pudieran crear pantallas para el trabajo de topógrafos, cartógrafos y geólogos. Recientemente, el Instituto Geográfico Nacional ha puesto en marcha la red REGENTE, acrónimo de Red Geodésica Nacional por Técnicas Espaciales, con la que se pretende establecer en toda España una red de altísima precisión. Esta nueva red es una malla de puntos que a su vez ya eran vértices geodésicos de primer orden, y que se han elegido de manera que en cada hoja del Mapa Topográfico Nacional a escala 1:50000 haya un solo REGENTE, es decir, uno por cada 500 kilómetros cuadrados. La aplicación de esta red será prestar ayuda eficaz a los usuarios de las técnicas de mediciones por sistemas GPS. El acceso a la información asociada a estos vértices geodésicos es público y accesible a través de la página web del Instituto Geográfico Nacional (http://www.ign.es) O.Ortiz - 65 -
  • 68. Propuesta de encaminamiento en una red inalámbrica de sensores Figura 27: Reseña de un vértice geodésico O.Ortiz - 66 -
  • 69. Propuesta de encaminamiento en una red inalámbrica de sensores Desde este sitio podemos acceder además, a bases de datos cartográficas como IDEE (Infraestructura de Datos Espaciales de España) y SIGNA (Sistema de Información Geográfica Nacional), que nos permite, entre otras cosas, localizar de forma detallada en un mapa los vértices geodésicos que sean de nuestro interés. Figura 28: SIGNA: Distribución de vértices geodésicos en el entorno de Fresno de Cantespino (Segovia) Teniendo en cuenta esta distribución de vértices, de coordenadas conocidas, cuando se haga un despliegue aleatorio de nodos, nos podemos encontrar con tres situaciones, que el nodo se encuentre en una zona de cobertura, en varias zonas cobertura o en una zona de cobertura muerta. O.Ortiz - 67 -
  • 70. Propuesta de encaminamiento en una red inalámbrica de sensores Nodo en una zona de cobertura Nodo en varias zonas de cobertura Nodo en zona de cobertura muerta Figura 29: Distribución de nodos en zonas de cobertura El radio de la zona de cobertura se podrá controlar mediante la potencia de emisión del nodo situado en el vértice geodésico y dependerá del área en el que estemos interesados cubrir a la hora de implantar la aplicación, por ejemplo, área en el que nos interese controlar incendios forestales dependiendo de la masa forestal del terreno. Dentro de cada zona de cobertura, un nodo quedará ubicado dentro de un sector y a una distancia determinada del vértice geodésico, de forma que ante la detección de un evento por parte de un nodo o un conjunto de ellos, quedará determinada su localización. Su precisión quedará determinada por el número de sectores en los que dividamos la zona de cobertura. O.Ortiz - 68 -
  • 71. Propuesta de encaminamiento en una red inalámbrica de sensores N W rN Se ct o ct Se o rN E d W E Se E ct S or SW t or c Se Nodo con coordenadas (NE,d) S Figura 30: Localización de nodos dentro de una zona de cobertura Si a esta idea de localización geográfica le sumamos un protocolo de encaminamiento multisalto con agregación de datos, tal y como hemos visto en apartados anteriores, se podrán poner en funcionamiento redes inalámbricas de sensores en grandes áreas para aplicaciones en el sector de la monitorización medioambiental para servicios de emergencia. O.Ortiz - 69 -
  • 72. Propuesta de encaminamiento en una red inalámbrica de sensores O.Ortiz - 70 -
  • 73. Referencias Bibliográficas REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Akkaya2003 K. Akkaya y M. Younis. “An energy-aware QoS routing protocol for wireless sensor network”. In Proceedings of the Workshops in the 23rd International Conference on Distributed Computing Systems, páginas 710–715, Mayo, 2003. Bulusu2000 N. Bulusu, J. Heidemann, D. Estrin,”GPS-less low cost outdoor localization for very small devices", Technical report 00-729, Computer science department, University of Southern California, Abril. 2000. Caccamo2002 M. Caccamo, L. Y. Zhang, L. Sha, y G. Buttazzo. “Animplicit prioritized access protocol for wireless sensor networks”. IEEE Real-Time System Symposium(RTSS'02), Diciembre 2002. Capkun2001 S. Capkun, M. Hamdi, J. Hubaux,”GPS-free positioning in mobile ad-hoc networks”, Proceedings of the 34th Annual Hawaii International Conference on System Sciences, 2001 pp. 3481-3490. Chang2000 J.-H. Chang y L. Tassiulas, “Maximum Lifetime Routing in Wireless Sensor Networks”, Proc. Advanced Telecommu- nications and Information Distribution Research Program (ATIRP2000), College Park, MD, Marzo. 2000 Chen1999 S. Chen y K. Nahrstedt, “Distributed Quality-of-Service Routing in ad-hoc Networks,” IEEE Journalon Selected areas in Communications, Vol. 17, No. 8, Agosto 1999. Chen2002 B. Chen, K. Jamieson, H. Balakrishnan, R. Morris, “SPAN: an energy-eficient coordination algorithm for topologymaintenance in ad hoc wireless networks”, Wireless Networks, Vol. 8, No. 5, Páginas: 481-494, Septiembre 2002. Chen2004 D. Chen y P. K. Varshney. "Qos support in wireless sensor networks: A survey". In Proceedings of International Conference on Wireless Networks (ICWN), páginas 21–24, Las Vegas, NV, Junio 2004. Chenyang2001 L. Chenyang, B. Blum, T. Abdelzaher, J. Stankovic, y H Tian. RAP: “A real-time communication architecture for largescale wireless sensor networks” In Proceedings IEEE Real-time Systems Symposium (RTSS), páginas 55–66, Diciembre,2001. O.Ortiz - 71 -
  • 74. Referencias Bibliográficas Conti2004 M.Conti, G.Maselli, G.Turi, and S.Giordano. “Cross-Layering in Mobile Ad Hoc Network Design.” IEEE Computer, 37(2): 48-51, 2004 Corredor2007 I.Corredor, “Calidad de servicio en redes de sensores inalámbricos.” Proyecto Fin de Carrera, E.U.I.T. de Telecomunicación. Universidad Politécnica de Madrid, 2007 Deb2003 B. Deb, S. Bhatnagar, y B. Nath. “ReInForM: Reliable information forwarding using multiple paths in sensor networks”. In Proceedings of 28th Annual IEEE International Conference on Local Computer Networks, páginas 406–415, Bonn,Alemania,Octubre, 2003. Ditzel2005 M. Ditzel y K. Langendoen. “D3: Data-centric data dissemination in wireless networks”. In European Conference on Wireless Technology, Paris, Francia, 2005. Dulman2003 S. Dulman, T. Nieberg, J. Wu, P. Havinga, “Trade-Of between Trafic Overhead and Reliability in Multipath Routing for Wireless Sensor Networks”, WCNC Workshop, New Orleans, Louisiana, USA, Marzo 2003. Ee2004 C.-T. Ee y R. Bajcsy, “Congestion Control and Fairness for Many-to-One Routing in Sensor Networks,” Proc. ACM Sensys ’04, Baltimore, MD, Noviembre. 3–5, 2004. Felemban2005 E. Felemban, C-G. Lee, E. Ekici, R. Boder, y S. Vural. “Probabilistic QoS guarantee in reliability and timeliness domains in wireless sensor networks”. In Proceedings of 24th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications (INFOCOM), páginas 2646–2657, Marzo, 2005. Fung2002 W.F. Fung, D. Sun, y J. Gehrke."COUGAR: The Network is the Database". Proceedings of ACM SIGMOD International Conference on Management of Data, páginas 621-621. ACM Press, 2002. He2003 T. He, C. Huang, B. Blum, J. Stankovic, y T. Abdelzaher, “Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks,” Proc. Mobicom Conf. , 2003. Heinzelman1999 W. Heinzelman, J. Kulik, y H. Balakrishnan, "Adaptive Protocols for Information Dissemination in Wireless Sensor Networks," Proc. 5th ACM/IEEE Mobicom Conference (MobiCom '99), Seattle, WA, Agosto, 1999. pp. 174-85. O.Ortiz - 72 -
  • 75. Referencias Bibliográficas Heinzelman2000 W. Heinzelman, A. Chandrakasan y H. Balakrishnan, "Energy- Efficient Communication Protocol for Wireless Mi- crosensor Networks," Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS '00), Enero 2000. Heinzelman2000(2) W. Heinzelman, “Application specific protocolarchitectures for wireless networks”, PhD Thesis,MIT, 2000. Hull2004 B. Hull, K. Jamieson, y H. Balakrishnan, “Mitigating Congestion in Wireless Sensor Networks,” Proc. ACM Sensys ’04, Baltimore, MD, Nov. 3–5, 2004. IEEE802.15.4 IEEE 802.15.4 Standard-2003, "Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) y Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR- WPANs)", IEEE-SA Standards Board, 2003. Imielinski1999 T. Imielinski y S. Goel. "DataSpace - Querying and Monitoring Deeply Networked Collections in Phycal Space". Proceedings of ACM international Workshop on Data Engineering for Wireless and Mobile Access (MobilDE). Páginas 44-51. ACM Press, 1999. Intanagonwiwat2000 C. Intanagonwiwat et al., "Directed diffusion: As calable y robust communication paradigm for sensor networks", in the Proc. of MobiCom'00,Boston, MA, Agosto 2000. Iyer2005 Y. G. Iyer, S. Gandham, y S. Venkatesan, “STCP: A Generic Transport Layer Protocol for Wireless Sensor Networks,” Proc. IEEE ICCCN 2005, San Diego, CA, Oct. 17–19, 2005. Jamal2004 Jamal N. Al-Karaki, Raza Ul-Mustafa, Ahmed E. Kamal, ”Data Aggregation in Wireless Sensor Networks - Exact and Approximate Algorithms’”, Proceedings of IEEE Workshop on High Performance Switching y Routing (HPSR) 2004,Abril 18-21, 2004, Phoenix, Arizona, USA. Kawadia2003 V. Kawadia y P. R. Kumar. "A Cautionary Perspective on Cross Layer Design". Http://black.cal.uiuc.edu/~prkumar/ps_files/cross-layer- design.pdf. Julio 2003. En IEEE Wireless Communication Magazine. Kulik2002 J. Kulik, W. R. Heinzelman, y H. Balakrishnan, "Negotiation- based protocols for disseminating information in wireless sensor networks," Wireless Networks, Volumen: 8, pp. 169- 185, 2002. O.Ortiz - 73 -
  • 76. Referencias Bibliográficas Levis P. Levis et al., “Trickle: A Self-Regulating Algorithm for Code Propagation and Maintenance in Wireless Sensor Networks,” Proc. 1st Symp. Networked Sys. Design and Implementation, San Francisco, CA, Marzo. 29–31. Li2001 Q. Li, J. Aslam y D. Rus,“Hierarchical Power-aware Routing in Sensor Networks”, In Proceedings of the DIMACS Workshop on Pervasive Networking, Mayo, 2001 Lin2001 C. Lin. "On demand QoS routing in multihop mobile networks". In Proceedings of Twentieth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies (INFOCOM), volumen 3, páginas 1735–1744, Abril 2001. Madden2002 S. Madden. MJ Franklin, JM Hellerstein, y W. Hong. "TAG: A Tiny Aggregation Service for Ad-Hoc Sensor Networks". ACM SIGOPS Operating Systems Review. 36(SI): 131-146, 2002. Manjeshw2001 A. Manjeshwar y D. P. Agarwal, ”TEEN: a routing protocol for enhanced eficiency in wireless sensor networks,” In 1st International Workshop on Parallel and Distributed Computing Issues in Wireless Networks and Mobile Computing, Abril 2001. Manjeshw2002 A. Manjeshwar y D. P. Agarwal, ”APTEEN: A hybrid protocol for eficient routing and comprehensive information retrieval in wireless sensor networks,” Parallel and Distributed Processing Symposium., Proceedings International, IPDPS 2002, pp. 195- 202. Min2001 R. Min, et al., "Low Power Wireless Sensor Networks", Proc. of International Conference on VLSI Design, Bangalore, India, Enero 2001. Mohapatra2002 P. Mohapatra, J. Li, y C. Gui. "QoS in mobile ad hoc networks". Special Issue on QoS in Next-Generation Wireless Multimedia Communications Systems in IEEE Wireless Communications, 10(3):44–57, Junio 2002. Nelakuditi2002 Nelakuditi, S., y Zhang, Z.-L., "A Localized Adaptive Proportioning Approach to QoS Routing", IEEE Commun. Magazine, vol. 40, págs. 66-71, junio de 2002 O.Ortiz - 74 -
  • 77. Referencias Bibliográficas Polastre2004 J. Polastre, J. Hill, y D. Culler. Versatile low power media access for wireless sensor networks. In SenSys '04: Proceedings of the 2nd international conference on Embedded networked sensor systems, páginas 95--107, New York, NY, USA, 2004. ACM Press. Rahul2002 C. Rahul, J. Rabaey, “Energy Aware Routing for Low Energy Ad Hoc Sensor Networks”, IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), vol.1, Marzo 17-21, 2002, Orlando, FL, pp. 350-355. Rhee2004 I. Rhee, A. Warrier, y L. Xu. “Randomized dining philosophers to TDMA scheduling in wireless sensor networks”. Technical report, Computer Science Department, North Carolina State University, Raleigh, NC, 2004. Rhee2005 Injong Rhee, Ajit Warrier, Mahesh Aia y Jeongki Min. “Z- MAC: a Hybrid MAC for Wireless Sensor Networks”. Technical Report, Department of Computer Science, North Carolina State University, Abril 2005. Rodoplu1999 V. Rodoplu y T. H. Meng. “Minimum Energy Mobile Wireless Networks”, IEEE Journal Selected Areas in Communications, vol. 17, no. 8, Agosto. 1999, pp. 133344. Sadagopan2003 N. Sadagopan, B. Krishnamachari, y A. Helmy. “The ACQUIRE mechanism for efficient querying in sensor networks”. In Proc. 1st IEEE intl. Workshop on Sensor Network Protocols and Applications (SNPA), Anchorage, AK, Mayo 2003. Sankarasubramaniam2003 Y. Sankarasubramaniam, O. B. Akan, y I. F. Akyildiz, “ESRT: Event-to-Sink Reliable Transport in Wireless Sensor Networks” Proc. ACM Mobihoc ’03, Annapolis, MD, Junio 1– 3, 2003. Savvides2001 A. Savvides, C-C Han, y M. Srivastava.“Dynamic ne-grained localization in Ad-Hoc networks of sensors,” Proceedings of the Seventh ACM Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom), Julio 2001. pp. 166- 179. Schugers2001 C. Schurgers y M.B. Srivastava. “Energy efficient routing in wireless sensor networks”. In MILCOM Proceedings on Communications for Network-Centric Operations, 2001. O.Ortiz - 75 -
  • 78. Referencias Bibliográficas Shah2002 R. Shah y J. Rabaey, "Energy Aware Routing for Low Energy Ad Hoc Sensor Networks", in the Proceedings of IEEE Wireless Communications and Networking Conference, Orlando, FL, Marzo 2002. Slepian1973 D. Slepian y JK Wolf. "Noiseless Conding of Correlated Information Sources". IEEE Transactions on Information Theory, 19(4): 471-480- 1973 Sohrabi2000 K. Sohrabi, et al., "Protocols for self-organization of a wireless sensor network,” IEEE Personal Comm., Vol. 7, No. 5, pp. 16- 27, Octubre 2000. Stankovic2003 T. He, J. Stankovic, L. Chenyang, y T. Abdelzaher. “SPEED: A stateless protocol for real-time communication in sensor networks”. In Proceedings of 23rd International Conference on Distributed Computing Systems, páginas 46–55, Mayo, 2003. Stann2005 F. Stann y J. Heidemann, “RMST: Reliable Data Transport in Sensor Networks,” Proc. IEEE SNPA ’03, Anchorage, AK, Mayo 11, 2003. Stoica2001 I. Stoica, R. Morris, D. Karger, M. F. Kaashock, y H. Blakrishan. "Chord: A Scalable Peer-to-peer Lookup Service for Internet Applications", In Proceedings of ACM SIGCOMM, páginas 149-160, San Diego, CA. Agosto 2001. Stojmenovic1999 I. Stojmenovic y X. Lin. “GEDIR: Loop-Free Location Based Routing in Wireless Networks”, In International Conference on Parallel and Distributed Computing and Systems, Boston, MA, USA, Noviembre. 3-6, 1999. Subramanian2000 L. Subramanian y R. H. Katz, "An Architecture for Building Self Configurable Systems," Proc. Of IEEE/ACM Workshop on Mobile Ad Hoc Networking and Computing, Boston, MA, Agosto 2000. Veres2001 A. Veres, A. Campbell, M. Barry, y S Li-Hsiang. "Supporting service differentiation in wireless packet networks using distributed control". IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 19(10):2081–2093, Octubre 2001. Wan2002 C.-Y. Wan y A. T. Campbell, “PSFQ: A Reliable Transport Protocol for Wireless Sensor Networks,” Proc. ACM WSNA ’02, Atlanta, GA, Septiembre. 28, 2002. O.Ortiz - 76 -
  • 79. Referencias Bibliográficas Wan2003 C.-Y. Wan, S. B. Eisenman, y A. T. Campbell, “CODA: Congestion Detection and Avoidance in Sensor Networks,” Proc. ACM Sensys ’03, Los Angeles, CA, Noviembre. 5–7, 2003. Wan2005 C.-Y. Wan et al., “Siphon: Overload Traffic Management Using Multi-Radio Virtual Sinks in Sensor Networks,” Proc. ACM SenSys ’05, San Diego, CA, Noviembre. 2–4, 2005. Wang2006 C. Wang et al., “Priority-Based Congestion Control in Wireless Sensor Networks” , IEEE Int’l. Conf. Sensor Networks, Ubiquitous, and Trustworthy Comp., Taichung, Taiwan, Junio 5–7, 2006. Watteyne2005 T. Watteyne y I. Augé-Blum, "Proposition of a hard real-time mac protocol for wireless sensor networks". In International Symposium on Modeling, Analysis and Simulation of Computer and Telecommunication Systems (MASCOTS). Atlanta, GA, USA: IEEE, Septiembre 2005, pp. 532--535. Weiser1993 M. Weiser. "Hot topic: Ubiquitous Computing". IEEE Computer, páginas 71-72, Octubre 1993. Woo2004 A. Woo y D. C. Culler, “A Transmission Control Scheme for Media Access in Sensor Networks,” Proc. ACM Mobicom ’01, Rome, Italy, Julio 16–21, 2004. Xu2001 S. Xu y T. Saadawi, “Does the IEEE 802.11 MAC Protocol Work Well in Multihop Wireless Ad Hoc Networks?,” IEEE Comm. Magazine, Junio 2001 Ye2001 F. Ye, A. Chen, S. Liu, L. Zhang, "A scalable solution to minimum cost forwarding in large sensor networks", Proceedings of the tenth International Conference on Computer Communications and Networks (ICCCN), pp. 304- 309, 2001. Younis2002 M. Younis, M. Youssef, K. Arisha, “Energy-Aware Routing in Cluster-Based Sensor Networks”, Proc. Of the 10th IEEE/ACM Sym. on Modeling, Analysis and Simulation of Computer and Telecom. Systems (MASCOTS’02), Fort Worth, TX, October 2002. Younis2003 G. Jolly y M. Younis, “Energy Efficient Arbitration of Medium Access in Sensor Networks,” Proc. of the IASTED Conf. on Wireless and Optical Comm. (WOC 2003), Banff, Canada, Julio 2003. O.Ortiz - 77 -
  • 80. Referencias Bibliográficas Younis2004 M. Younis, K. Akkaya, M. Eltowiessy, y A. Wadaa. "On handling Qos traffic in wireless sensor networks". In Proceedings of the 37th Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS), páginas 90292–90302, Enero 2004. Yu2001 Y. Yu, D. Estrin, y R. Govindan, “Geographical and Energy- Aware Routing: A Recursive Data Dissemination Protocol for Wireless Sensor Networks”, UCLA Computer Science Department Technical Report, UCLA-CSD TR-01-0023, Mayo 2001 Zhang2005 H. Zhang et al., “Reliable Bursty Convergecast in Wireless Sensor Networks,” Proc. ACM Mobihoc ’05, Urbana- Champain, IL, Mayo 25–28, 2005 O.Ortiz - 78 -