Protocolos para redes inal´mbricas de sensores                          a          Tesis de Ingenier´ en Inform´tica      ...
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AgradecimientosA mi mam´ Isabel Ubiedo y a mi pap´ Eduardo Antonio Garbarino.            a                          aA Ser...
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´Indice general1. Introducci´n              o                                                             17   1.1. Motiva...
´INDICE GENERAL   3.5. Diseminaci´n de inter´s . .                   o           e        .   .   .   .   .   .   .   .   ...
´INDICE GENERAL        5.3.2. Especificaciones . . . . . . . .                 .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   ...
´INDICE GENERAL                 8
´Indice de figuras 2.1. Infraestructura de una red inal´mbrica de sensores .                                       a       ...
´INDICE DE FIGURAS  4.5.   Gr´fico de secuencia en Omnet++ . . . . . . . . .           a                                   ...
´Indice de cuadros 2.1.   Funciones de la pila de protocolos WSN . . . . . . . .                          .   .   .   .   ...
´INDICE DE CUADROS                    12
Fragmentos de c´digo               o 4.1.   Modelo de protocolo de capa . . . . . . . . . . . . . .      .   .   .   .    ...
´FRAGMENTOS DE CODIGO                       14
Algoritmos1.    Ciclo de evento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   932.    M-SPIN Procesar paquete de...
ALGORITMOS             16
Cap´   ıtulo 1Introducci´n          o1.1.     Motivaci´n                 o    Una red inal´mbrica de sensores, o Wireless ...
´1.1. MOTIVACIONpoder ser operados, los nodos necesitan un sistema operativo espec´ıfico pararedes de sensores. T´  ıpicame...
CAP´                  ´   ITULO 1. INTRODUCCIONidentificado un conjunto de paradigmas que permite clasificar los protocoloss...
´1.3. ORGANIZACION       configuraci´n de una red ejemplo, de un sumidero y muchos nodos                  o       que ejecu...
Cap´   ıtulo 2Redes inal´mbricas de          asensores2.1.     Introducci´n                   o    Una red de sensores es ...
´2.1. INTRODUCCION     dad de producto, oficinas inteligentes, control ambiental de edificios,     control robot en manufact...
CAP´                  ´   ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSOREScampo el´ctrico y magn´tico; de frecuencia; ´ptico, elect...
´2.1. INTRODUCCIONmejor se adecue a sus requerimientos.    La movilidad en las redes de sensores puede aparecer en tres fo...
CAP´                  ´   ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORES            Figura 2.2: Componentes de hardware del nodo ...
´2.1. INTRODUCCION             Figura 2.3: Componentes de software del nodo sensor     Controladores de comunicaci´n     o...
CAP´                  ´   ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORES         Figura 2.4: Pila gen´rica de protocolos del nodo...
´2.1. INTRODUCCION               Figura 2.5: Nodo sensor MicaZ de MEMSIC    Consumo de energ´  ıa    La vida util del sens...
CAP´                  ´   ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORES       capas f´              ısica, enlace, red y transpo...
´2.2. TIPOS DE APLICACIONVida util: Compleja     ´    El objetivo de este tipo de aplicaci´n es la detecci´n de un evento ...
CAP´                  ´   ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORESmo la comunicaci´n es multi-salto, es necesario que el no...
´2.2. TIPOS DE APLICACION2.2.3.   Consulta iniciada por sumideroPatr´n de tr´fico: Epis´dico    o       a         oLatencia...
CAP´                  ´   ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORESdise˜o importante es determinar un balance entre el costo...
´                    ´2.3. ESTANDARES DE COMUNICACION (a) Detecci´n de incendios en un bosque            o                ...
CAP´                  ´   ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORESt´rminos generales, el est´ndar de protocolos IEEE 802.11...
´                    ´2.3. ESTANDARES DE COMUNICACION  2. DSSS usando modulaci´n BPSK en la banda de 915 MHz a una tasa   ...
CAP´                  ´   ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORES     FFD (Full Function Device)     dispositivo de funcio...
´                    ´2.3. ESTANDARES DE COMUNICACION  1. Per´ ıodo activo     Se divide en 16 ranuras de tiempo (de durac...
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  1. 1. Protocolos para redes inal´mbricas de sensores a Tesis de Ingenier´ en Inform´tica ıa a Jimena Garbarino jimena@gmail.com Directora Lic. Adriana Echeverr´ ıa Universidad de Buenos Aires Facultad de Ingenier´ ıa 7 de noviembre de 2011
  2. 2. 2
  3. 3. AgradecimientosA mi mam´ Isabel Ubiedo y a mi pap´ Eduardo Antonio Garbarino. a aA Sergio.A mi directora de tesis, Lic. Adriana Echeverr´ıa.A toda mi familia, que hace tiempo que no los veo porque estaba estudiando.A mi hermana Florencia por insistir con que me reciba para reunirnos enuna fiesta.A todos los que me dieron aliento y me ayudaron de distinta manera: Maxi,Julia, Ale, Mariano MP y Naranjita, Valeria, Marcela, Agust´ ın. ´A los profesores que me inspiraron en los comienzos: Ing. Jorge Alvarez Juli´, aIng. Ricardo Sirne, Lic. Rina Lombardi, Ing. Osvaldo Cl´a, Ing. Leopoldo uCarranza. A mis primeros tres jefes.A todos mis otros compa˜eros de facultad o del trabajo, a los que perse- ngu´ por los pasillos o por e-mail con alguna pregunta, especialmente a los ıque me ayudaron a aprobar la ultima materia. ´ 3
  4. 4. 4
  5. 5. ´Indice general1. Introducci´n o 17 1.1. Motivaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 o 1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3. Organizaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 o2. Redes inal´mbricas de sensores a 21 2.1. Introducci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . 21 2.1.1. Topolog´ . . . . . . . . . . . . . . . . . ıa . . . . . . . . 23 2.1.2. Nodo sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.3. Cuestiones de dise˜o . . . . . . . . . . . n . . . . . . . . 26 2.2. Tipos de aplicaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . 29 2.2.1. Detecci´n y reporte de eventos . . . . . o . . . . . . . . 29 2.2.2. Recolecci´n de datos y reporte peri´dico o o . . . . . . . . 31 2.2.3. Consulta iniciada por sumidero . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.4. Seguimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.5. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3. Est´ndares de comunicaci´n . . . . . . . . . . . a o . . . . . . . . 33 2.3.1. Bluetooth y Wi-Fi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3.2. Est´ndar IEEE 802.15.4-2006 . . . . . . a . . . . . . . . 35 2.3.3. ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.4. WirelessHART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473. Protocolos de red 55 3.1. Problema del encaminamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2. Encaminamiento jer´rquico . . . . . . . . . a . . . . . . . . . . 57 3.2.1. Caracter´ ısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2.2. LEACH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.3. Encaminamiento geogr´fico . . . . . . . . . a . . . . . . . . . . 62 3.3.1. Caracter´ ısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.3.2. Por coordenadas virtuales . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.4. Encaminamiento centrado en los datos . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.1. Caracter´ ısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.2. Energy-Aware Data-Centric Routing . . . . . . . . . . 70 5
  6. 6. ´INDICE GENERAL 3.5. Diseminaci´n de inter´s . . o e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.5.1. Caracter´ısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.5.2. SPIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.6. Consciencia de la energ´ . ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.6.1. Introducci´n . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.6.2. M´tricas de energ´ . e ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.6.3. Flow Augmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854. Dise˜ o de la simulaci´n con Omnet++ n o 89 4.1. ¿Qu´ es Omnet++? . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . 89 4.1.1. Introducci´n . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . 89 4.1.2. Conceptos de modelado . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.1.3. Descripci´n de red . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . 90 4.1.4. Conceptos de simulaci´n . . . . . . . . . o . . . . . . . . 92 4.1.5. Ambiente de desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.1.6. Definici´n de un m´dulo simple . . . . . o o . . . . . . . . 94 4.1.7. Simulaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . 97 4.1.8. Herramientas de an´lisis . . . . . . . . . a . . . . . . . . 97 4.2. Dise˜o de la red . . . . . . . . . . . . . . . . . n . . . . . . . . 100 4.2.1. MiXiM 2.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.2.2. Modelo de dispositivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.2.3. Topolog´ . . . . . . . . . . . . . . . . . ıa . . . . . . . . 105 4.2.4. Tama˜o del terreno y densidad de nodos n . . . . . . . . 105 4.2.5. Modelo de despliegue . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.2.6. Modelo de aplicaci´n . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . 107 4.2.7. Resumen del dise˜o . . . . . . . . . . . n . . . . . . . . 108 4.3. M´tricas de evaluaci´n . . . . . . . . . . . . . . e o . . . . . . . . 108 4.3.1. Vida util del sistema . . . . . . . . . . . ´ . . . . . . . . 108 4.3.2. Eficiencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.3.3. Uso de la energ´ . . . . . . . . . . . . . ıa . . . . . . . . 110 4.3.4. Calidad de servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.3.5. M´tricas no consideradas . . . . . . . . e . . . . . . . . 112 4.3.6. M´tricas seleccionadas . . . . . . . . . . e . . . . . . . . 1135. Implementaci´n de m´dulos de red o o 115 5.1. Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.2. Diseminaci´n de inter´s con M-SPIN o e . . . . . . . . . . . . . . 116 5.2.1. Caracter´ısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5.2.2. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 5.2.3. Complejidad M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.2.4. Detalles de implementaci´n . o . . . . . . . . . . . . . . 131 5.2.5. Pseudoc´digo . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . 135 5.3. Consciencia de recursos con SAMF . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.3.1. Caracter´ısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 6
  7. 7. ´INDICE GENERAL 5.3.2. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.3.3. Complejidad M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.3.4. Detalles de implementaci´n . o . . . . . . . . . . . . . . 147 5.3.5. Pseudoc´digo . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . 149 5.4. M´dulo de t´cnica mixta: EA-SPIN . o e . . . . . . . . . . . . . . 153 5.4.1. Dise˜o . . . . . . . . . . . . . n . . . . . . . . . . . . . . 153 5.4.2. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.4.3. Complejidad M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 5.4.4. Detalles de implementaci´n . o . . . . . . . . . . . . . . 161 5.4.5. Pseudoc´digo . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . 164 5.5. Resumen de m´dulos desarrollados . o . . . . . . . . . . . . . . 1676. Simulaci´n y conclusiones o 169 6.1. Escenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.2. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.2.1. Complejidad M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.2.2. M´tricas obtenidas . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . 172 6.2.3. An´lisis de confiabilidad . . . . . . . . . a . . . . . . . . 188 6.2.4. Consciencia de energ´ . . . . . . . . . . ıa . . . . . . . . 189 6.2.5. Experiencia con MiXiM 2.1 y Omnet++ 4.1 . . . . . . 191 6.3. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 6.4. Resumen de aportes del trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 6.5. Trabajo futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193Ap´ndices e 194A. Glosario 197B. M´tricas e 203 B.1. Recopilaci´n de m´tricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 o e B.2. M´tricas de simulaciones espec´ e ıficas . . . . . . . . . . . . . . 206C. Modificaciones a MiXiM 2.1 209 C.1. Energ´ de transmisi´n ıa o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 C.2. Total de mensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 C.3. Energ´ residual . . . . ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 C.4. Sensibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212Referencias 213 7
  8. 8. ´INDICE GENERAL 8
  9. 9. ´Indice de figuras 2.1. Infraestructura de una red inal´mbrica de sensores . a . . . . . 22 2.2. Componentes de hardware del nodo sensor . . . . . . . . . . . 25 2.3. Componentes de software del nodo sensor . . . . . . . . . . . 26 2.4. Pila gen´rica de protocolos del nodo sensor . . . . . e . . . . . 27 2.5. Nodo sensor MicaZ de MEMSIC . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.6. Tipos de aplicaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . 34 2.7. Estructura del paquete de capa f´ ısica IEEE 802.15.4 . . . . . 36 2.8. Superframe de IEEE 802.15.4 CSMA ranurado . . . . . . . . 37 2.9. Capas de protocolos de ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.10. Red ZigBee estrella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.11. Red ZigBee malla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.12. Pila de protocolos WirelessHART . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.13. Malla WirelessHART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.1. Jerarqu´ virtual en una red de sensores . . . . . . . . ıa . . . . 58 3.2. Topolog´ de red en LEACH . . . . . . . . . . . . . . . ıa . . . . 59 3.3. Encaminamiento geogr´fico . . . . . . . . . . . . . . . a . . . . 62 3.4. Encaminamiento geogr´fico en presencia de obst´culos a a . . . . 63 3.5. Nodos per´ ımetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.6. M´quina de estados del nodo EAD . . . . . . . . . . . a . . . . 71 3.7. De estado indefinido a estado hoja . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.8. Ejemplo de agregaci´n de datos camino al sumidero . o . . . . 73 3.9. Implosi´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . 76 3.10. Superposici´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . 76 3.11. Negociaci´n SPIN pasos 1 y 2 . . . . . . . . . . . . . . o . . . . 79 3.12. Negociaci´n SPIN pasos 3 y 4 . . . . . . . . . . . . . o . . . . 80 3.13. Negociaci´n SPIN pasos 5 y 6 . . . . . . . . . . . . . . o . . . . 80 3.14. Desempe˜o no ´ptimo de FA . . . . . . . . . . . . . . n o . . . . 87 4.1. Vista de dise˜o de una red Omnet++ . . . . . . . n . . . . . . 91 4.2. Dise˜o del nodo como m´dulo compuesto . . . . . n o . . . . . . 91 4.3. Perspectiva de Simulaci´n de Omnet++ en Eclipse o . . . . . . 94 4.4. Configuraci´n de ejecuci´n en Omnet++ . . . . . . o o . . . . . . 97 9
  10. 10. ´INDICE DE FIGURAS 4.5. Gr´fico de secuencia en Omnet++ . . . . . . . . . a . . . . . . 98 4.6. Navegador de vectores y escalares en Omnet++ . . . . . . . . 99 4.7. Gr´fico de barras en Omnet++ . . . . . . . . . . . a . . . . . . 99 4.8. Potencia de transmisi´n del tranceptor TI CC2420 o . . . . . . 104 5.1. Etapa de descubrimiento de distancia al sumidero . . . . . . . 117 5.2. Jerarqu´ de m´dulos de diseminaci´n . . . . . . . . . . . . . 132 ıa o o 6.1. Escenario 1 - Latencia media en el sumidero . . . . . . . . . . 172 6.2. Escenario 1 - Tasa de ´xito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 e 6.3. Escenario 1 - Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 6.4. Escenario 1 - Total de energ´ de transmisi´n . . . . . . . . . 173 ıa o 6.5. Escenario 1 - Media y m´xima de saltos . . . . . . . . . . . . 174 a 6.6. Escenario 1 - Media y desviaci´n de energ´ de transmisi´n . 174 o ıa o 6.7. Escenario 2 - Latencia media en el sumidero . . . . . . . . . . 175 6.8. Escenario 2 - Tasa de ´xito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 e 6.9. Escenario 2 - Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 6.10. Escenario 2 - Total de energ´ de transmisi´n . . . . . . . . . 176 ıa o 6.11. Escenario 2 - Media y m´xima de saltos . . . . . . . . . . . . 177 a 6.12. Escenario 2 - Media y desviaci´n de energ´ de transmisi´n . 177 o ıa o 6.13. Escenario 3 - Latencia media en el sumidero . . . . . . . . . . 178 6.14. Escenario 3 - Tasa de ´xito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 e 6.15. Escenario 3 - Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 6.16. Escenario 3 - Total de energ´ de transmisi´n . . . . . . . . . 179 ıa o 6.17. Escenario 3 - Media y m´xima de saltos . . . . . . . . . . . . 180 a 6.18. Escenario 3 - Media y desviaci´n de energ´ de transmisi´n . 180 o ıa o 6.19. Escenario 4 - Latencia media en el sumidero . . . . . . . . . . 181 6.20. Escenario 4 - Tasa de ´xito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 e 6.21. Escenario 4 - Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 6.22. Escenario 4 - Total de energ´ de transmisi´n . . . . . . . . . 182 ıa o 6.23. Escenario 4 - Media y m´xima de saltos . . . . . . . . . . . . 183 a 6.24. Escenario 4 - Media y desviaci´n de energ´ de transmisi´n . 183 o ıa o 6.25. Escenario 1 - Total de energ´ vs. distancia al sumidero . . . 184 ıa 6.26. Escenario 2 - Total de energ´ vs. distancia al sumidero . . . 184 ıa 6.27. Escenario 3 - Total de energ´ vs. distancia al sumidero . . . 185 ıa 6.28. Escenario 4 - Total de energ´ vs. distancia al sumidero . . . 185 ıa 6.29. Escenario 2: Promedio de energ´ de transmisi´n por distancia 190 ıa o 6.30. Escenario 4: Promedio de energ´ de transmisi´n por distancia 190 ıa o 10
  11. 11. ´Indice de cuadros 2.1. Funciones de la pila de protocolos WSN . . . . . . . . . . . . 27 2.2. Resumen de tipos de aplicaci´n y caracter´ o ısticas . . . . . . . 33 2.3. Campos de la tabla de encaminamiento ZigBee . . . . . . . . 43 2.4. Campos de la tabla de descubrimiento de ruta ZigBee . . . . 44 2.5. Campos de la tabla de nodos vecinos ZigBee . . . . . . . . . . 45 4.1. M´dulos MiXiM utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 o 4.2. Densidad m´ ınima de nodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.3. Resumen de la red a simular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 5.1. M´tricas de M-SPIN . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . 117 5.2. Atributos de cada enlace SAMF . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 5.3. Atributos de cada nodo SAMF . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 5.4. M´tricas de SAMF . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . 142 5.5. Contadores para el an´lisis de SPIN a . . . . . . . . . . . . . . 163 5.6. M´dulos desarrollados . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . 167 6.1. Escenarios simulados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.2. Cantidad total de paquetes enviados en cada escenario . . . . 171 6.3. M´tricas de escenario 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . 186 6.4. M´tricas de escenario 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . 186 6.5. M´tricas de escenario 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . 187 6.6. M´tricas de escenario 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . 187 6.7. Total de frames descartados por interferencia . . . . . . . . . 189 6.8. Consumo total de energ´ en transmisiones . . . . . . ıa . . . . 189 B.1. M´tricas de evaluaci´n de protocolos . . . . . . . . e o . . . . . . 203 B.2. Otras m´tricas de desempe˜o . . . . . . . . . . . . e n . . . . . . 204 B.3. M´tricas de una revisi´n de criterios de evaluaci´n e o o . . . . . . 205 B.4. M´tricas de evaluaci´n del protocolo SPIN . . . . . e o . . . . . . 206 B.5. M´tricas de evaluaci´n del protoclo PBR . . . . . . e o . . . . . . 206 B.6. M´tricas de evaluaci´n del protocolo EAD . . . . . e o . . . . . . 207 11
  12. 12. ´INDICE DE CUADROS 12
  13. 13. Fragmentos de c´digo o 4.1. Modelo de protocolo de capa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2. Definici´n de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . 100 4.3. Configuraci´n del decider . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . 101 4.4. Actividades de capa f´ ısica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.5. Configuraci´n del nodo sumidero . . . . . . . . . . . . o . . . . 105 4.6. Dimensiones del terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.1. Paquete M-SPIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2. Paquete SAMF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5.3. Paquete EA-SPIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 C.1. M´todo getActivityTotal() . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . 209 C.2. Redefinici´n del m´dulo de rastreo . . . . . . . . . . . o o . . . . 210 C.3. Herencia p´blica de ImNotifiable para SimTracer . . . u . . . . 210 C.4. Total de paquetes a partir de notificaciones . . . . . . . . . . 210 C.5. SPIN publica paquetes env´ ıados y de sobreescucha . . . . . . 211 C.6. Grabaci´n de la energ´ residual al finalizar . . . . . . o ıa . . . . 211 C.7. Grabaci´n del consumo por actividad . . . . . . . . . . o . . . . 211 C.8. Descarte por baja intensidad en Decider802154Narrow . . . . 212 13
  14. 14. ´FRAGMENTOS DE CODIGO 14
  15. 15. Algoritmos1. Ciclo de evento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932. M-SPIN Procesar paquete de aplicaci´n . . . . . . . . . . . . . 135 o3. M-SPIN Procesar paquete STARTUP . . . . . . . . . . . . . . 1354. M-SPIN Procesar paquete ADV de anuncio . . . . . . . . . . . 1365. M-SPIN Procesar paquete REQ de pedido . . . . . . . . . . . 1366. M-SPIN Procesar paquete DATA de datos . . . . . . . . . . . 1377. M-SPIN Expira temporizador de repetici´n o supresi´n de pedido137 o o8. SAMF Procesar paquete de aplicaci´n . . . . . . . . . . . . . . 150 o9. SAMF Procesar paquete INTEREST . . . . . . . . . . . . . . 15010. SAMF Procesar paquete DATA . . . . . . . . . . . . . . . . . 15111. SAMF Recalcular restricciones de enlace . . . . . . . . . . . . 15112. SAMF Actualizar enlace en la tabla . . . . . . . . . . . . . . . 15213. SAMF Obtener la mejor ruta a destino . . . . . . . . . . . . . 15214. EA-SPIN Procesar paquete de aplicaci´n . . . . . . . . . . . . 164 o15. EA-SPIN Procesar paquete STARTUP . . . . . . . . . . . . . 16416. EA-SPIN Procesar paquete ADV de anuncio . . . . . . . . . . 16517. EA-SPIN Procesar paquete REQ de pedido . . . . . . . . . . . 16518. EA-SPIN Procesar paquete DATA de datos . . . . . . . . . . . 16619. EA-SPIN Expira temporizador pedido . . . . . . . . . . . . . . 16620. EA-SPIN Expira temporizador de repetici´n de anuncio . . . . 167 o 15
  16. 16. ALGORITMOS 16
  17. 17. Cap´ ıtulo 1Introducci´n o1.1. Motivaci´n o Una red inal´mbrica de sensores, o Wireless Sensor Network, es una red ade un gran n´mero de peque˜os dispositivos capaces de medir diferentes u nvariables de ambiente en el que se encuentran, y de procesar y comunicar lainformaci´n de manera inal´mbrica [1][2]. o a Existen varios tipos de aplicaciones de esta tecnolog´ Por ejemplo, en ıa.defensa, la detecci´n de ataque nuclear, biol´gico y qu´ o o ımico. En medio am-biente, el monitoreo de microclimas, detecci´n de fuego, detecci´n de inun- o odaciones, agricultura [3]. En salud, monitoreo de m´dicos y pacientes, y de einformaci´n fisiol´gica. En el hogar, lectura autom´tica de medidores, y au- o o atomatizaci´n del hogar. Entre sus aplicaciones comerciales se encuentran el ocontrol de inventario, el seguimiento y detecci´n de veh´ o ıculos, el monitoreode tr´fico, el control del medio ambiente en oficinas y edificios industriales. aT´ıpicamente, la red de sensores ser´ administrada por una entidad civil, co- amercial, industrial o del gobierno [4]. El modelo de red, en la mayor´ de los casos, est´ compuesto por una ıa aestaci´n base, que es un dispositivo con recursos de energ´ y c´mputo no o ıa oacotados, y un n´mero de peque˜os dispositivos homog´neos, los nodos sen- u n esores [5]. Un nodo sensor generalmente embebe capacidad de procesamiento y al-macenamiento, y puede tener uno o m´s sensores ac´sticos, s´ a u ısmicos, de ra-dio, infrarrojos, ´pticos, magn´ticos, y qu´ o e ımicos o biol´gicos. El nodo cuenta otambi´n con una unidad de comunicaci´n inal´mbrica, y una bater´ y posi- e o a ıa,blemente es capaz de conocer su posici´n geogr´fica apoy´ndose en un GPS o a ao en un algoritmo de posicionamiento. Invariablemente el nodo se encuentrarestringido en energ´ ancho de banda y en recursos en general [4]. Para ıa, 17
  18. 18. ´1.1. MOTIVACIONpoder ser operados, los nodos necesitan un sistema operativo espec´ıfico pararedes de sensores. T´ ıpicamente, se tienen cinco subsistemas o componen-tes de software: el sistema operativo, controladores de sensor, procesadoresde comunicaci´n, controladores de comunicaci´n y peque˜as aplicaciones de o o nprocesamiento de datos [4]. El est´ndar de comunicaci´n adoptado en los ultimos a˜os por el merca- a o ´ ndo fue desarrollado por la ZigBee Alliance [4] y define una arquitectura decapas para la comunicaci´n inal´mbrica. Cada capa brinda un conjunto de o aservicios espec´ ıficos a la capa superior. La capa f´ ısica, responsable del mane-jo de la interfaz inal´mbrica (frecuencia de operaci´n, tipo de modulaci´n, a o ocodificaci´n) y la capa de enlace responsable del manejo de la comunica- oci´n con nodos vecinos (dentro del radio de un salto) est´n definidas por o ael est´ndar IEEE 802.15.4-2003. La capa de red, responsable del encamina- amiento de paquetes dentro de la red de sensores, y cuya principal restricci´n ode dise˜o es la eficiencia energ´tica [4], soporta, en esta arquitectura, tres n etopolog´ estrella, ´rbol y malla. ıas: a Para definir el costo de una ruta, el algoritmo de encaminamiento utilizauna m´trica de costo para comparar caminos alternativos. Para calcular el evalor de la m´trica para un determinado camino, se asocia un costo a cada eenlace entre dos nodos, y se suma el costo de cada uno de los enlaces utili-zados por el camino. El costo de cada enlace individual se define como unafunci´n que depende de la probabilidad de que el paquete sea entregado si ose utiliza ese enlace. En el est´ndar se plantea que la cuesti´n de estimar o a odefinir esta probabilidad es un problema de implementaci´n, para el cual, olos implementadores son libres de aplicar su ingenio [6]. El algoritmo es muysimilar al algoritmo AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector ) el cualno tiene consideraciones respecto de la optimizaci´n de la energ´ [7]. o ıa AODV es un protocolo para redes ad hoc donde los nodos se consideranm´viles y se favorecen rutas que utilizan la menor cantidad de enlaces o sal- otos [8]. Aunque las redes inal´mbricas de sensores tienen aspectos en com´n a ucon las redes cableadas y ad hoc, tienen tambi´n caracter´ e ısticas propias queplantean importantes desaf´ de dise˜o. La densidad de nodos de la red y ıos nel ´rea de cobertura pueden variar ampliamente, pudiendo ser instalada de amanera no supervisada con una distribuci´n de nodos al azar en terrenos oinaccesibles [4][9]. La red debe organizarse a s´ misma y preservar la energ´ ı ıa,para perdurar su vida util operando con limitadas reservas de bater´ ´ ıa. Dado que gran parte de la energ´ se emplea en la transmisi´n de paque- ıa otes de informaci´n en topolog´ multi-salto (multi-hop), numerosas t´cnicas o ıas epara protocolos de red han sido estudiadas, con el objeto de mejorar la efi-ciencia en las comunicaciones en las redes inal´mbricas de sensores. Se ha a 18
  19. 19. CAP´ ´ ITULO 1. INTRODUCCIONidentificado un conjunto de paradigmas que permite clasificar los protocolosseg´n la estructura de red (plana o jer´rquica), por el tipo de direcciona- u amiento (basado en la ubicaci´n geogr´fica), por la funcionalidad provista o a(que mantienen m´s de una ruta, basado en la calidad de servicio, que uti- alizan agregaci´n de datos) [10], por utilizar modelos de flujo de red y/o por oser centrados en los datos (basados en consulta, basados en diseminaci´n de oinformaci´n) [11]. Algunos protocolos que modelan el flujo de red incluyen, oen su dise˜o, el objetivo de maximizar la vida de la red [12][13][14][15]. Pero nexisten varios puntos de vista para definir el tiempo de vida de la red, siem-pre influidos por el tipo de aplicaci´n para el cual se dise˜a. Para algunos o nautores, se define como el tiempo hasta que se agota la bater´ del primer ıanodo [2][12]. Para otros, esta definici´n es muy restrictiva y puede flexibili- ozarse para extender a´n m´s la vida util de la red [13][14]. u a ´ Una estrategia de maximizaci´n de la vida de la red consiste en selec- ocionar rutas no ´ptimas de manera de posponer la muerte de sus nodos, obasando la selecci´n en el conocimiento de diferentes m´tricas de energ´ de o e ıalos nodos de la red [9][16]. Los algoritmos que utilizan este tipo de informa-ci´n para seleccionar la ruta son conscientes de la energ´ o ıa. Los protocolos que se centran en los datos encaminan datos por deman-da, reaccionando a una consulta iniciada por la estaci´n base [10]. Intentan oahorrar energ´ disminuyendo las tareas de mantenimiento de la red, por ıalo que sugieren una topolog´ de red plana. El establecimiento de rutas es ıadin´mico, utilizando diferentes estrategias para controlar el proceso de floo- ading o inundaci´n de la red en la etapa de descubrimiento, y para diseminar oel inter´s por un tipo de informaci´n [4][17][18]. e o1.2. Objetivos Los objetivos generales de la tesis son el estudio de redes inal´mbricas ade sensores y paradigmas de encaminamiento de vanguardia, y la simulaci´n oy an´lisis de protocolos que utilizan t´cnicas de diseminaci´n y consciencia a e ode energ´ıa. En este marco se llev´ a cabo el siguiente trabajo: o estudio general de las redes inal´mbricas de sensores a estudio de los tipos de aplicaci´n o estudio de las principales paradigmas de vanguardia en encaminamien- to, focalizando en las t´cnicas de diseminaci´n y consciencia de la e o energ´ıa evaluaci´n de Omnet++ como simulador para este tipo de red o 19
  20. 20. ´1.3. ORGANIZACION configuraci´n de una red ejemplo, de un sumidero y muchos nodos o que ejecutan una aplicaci´n de tipo consulta, y una pila de protocolos o IEEE 802.15.4, incluyendo al canal compartido en el modelo construcci´n de m´dulos de red para los protocolos SAMF, M-SPIN, y o o un m´dulo que combina las t´cnicas de ambos; construcci´n de m´du- o e o o los de utilidades de recolecci´n de estad´ o ısticas y m´tricas no incluidas e en la herramienta simulaci´n de los tres protocolos a partir de varios escenarios de con- o sulta comparaci´n de su desempe˜o, an´lisis y observaciones sobre las t´cni- o n a e cas seleccionadas1.3. Organizaci´n o En el cap´ıtulo 2 se presenta una introducci´n a las redes inal´mbricas o ade sensores en t´rminos generales, una clasificaci´n y caracterizaci´n de los e o otipos de aplicaci´n seg´n su modelo de entrega de datos y una revisi´n de o u olos est´ndares y tecnolog´ de comunicaci´n adoptados para este tipo de red. a ıas o El cap´ıtulo 3 introduce los problemas del encaminamiento y revisa lostres paradigmas m´s com´nmente utilizados en taxonom´ de protocolos a u ıasde red, ilustrando cada paradigma con la descripci´n de un protocolo de la ofamilia. Luego, se describen las t´cnicas de diseminaci´n y consciencia de e oenerg´ tambi´n con protocolos ejemplo. ıa, e El cuarto cap´ıtulo trata de la herramienta de simulaci´n Omnet++, des- ocribe el dise˜o de la red a simular y se enumeran las m´tricas a obtener para n ela evaluaci´n de los protocolos. o En el cap´ ıtulo 5 se detalla la implementaci´n los m´dulos de red para o olos protocolos M-SPIN, SAMF y un protocolo que combina las t´cnicas de eambos, sus especificaciones, an´lisis de complejidad y pseudoc´digo. a o Finalmente, el cap´ıtulo 6 expone los resultados de las simulaciones y lasconclusiones del trabajo. 20
  21. 21. Cap´ ıtulo 2Redes inal´mbricas de asensores2.1. Introducci´n o Una red de sensores es una infraestructura compuesta por elementosde c´mputo, medici´n y comunicaci´n, que permiten al administrador ins- o o otrumentar, observar y reaccionar a eventos y fen´menos en un ambiente oespec´ıfico [4]. T´ ıpicamente el administrador ser´ una entidad civil, comer- acial, gubernamental o industrial. El ambiente puede ser un sistema espacioo sistema biol´gico, y existen variadas aplicaciones [19]: o Medioambiental Algunos ejemplos son el seguimiento de aves, peque˜os animales, in- n sectos; monitoreo de condiciones ambientales que afectan cultivos y ganado; irrigaci´n; macroinstrumentos para monitoreo a gran escala o y exploraci´n planetaria; detecci´n qu´ o o ımica y biol´gica; agricultura o de precisi´n; detecci´n de incendios en bosques; investigaci´n meteo- o o o rol´gica o geof´ o ısica; detecci´n de inundaciones; estudio de la contami- o naci´n. o Medicina Provisi´n de interfaces para discapacitados, monitoreo integrado de o pacientes, diagn´stico, administraci´n de drogas en hospitales, tele- o o monitoreo de informaci´n fisiol´gica. o o Hogar Automatizaci´n del hogar, administraci´n local y remota de electro- o o dom´sticos, ambientes inteligentes. e Comercial Monitoreo de fatiga de material, administraci´n de inventario, cali- o 21
  22. 22. ´2.1. INTRODUCCION dad de producto, oficinas inteligentes, control ambiental de edificios, control robot en manufactura automatizada, juguetes interactivos, mu- seos interactivos, control y automatizaci´n de procesos, monitoreo de o a ´rea de desastre, diagn´stico de maquinaria, transporte, seguimiento o de veh´ıculos. Figura 2.1: Infraestructura de una red inal´mbrica de sensores a La infraestructura comprende los siguientes componentes b´sicos (figu- ara 2.1 obtenida de [20]): 1. un conjunto de nodos sensores 2. una red de interconexi´n inal´mbrica o a 3. un punto central de recolecci´n de informaci´n o estaci´n base o o o 4. un conjunto de recursos para procesar la informaci´n recolectada o Los sensores o nodos inal´mbricos, a veces llamados motes, son dispo- asitivos inteligentes multifuncionales y baratos, equipados con m´ltiples ele- umentos de sensado. Existe tecnolog´ de sensado para realizar mediciones de ıa 22
  23. 23. CAP´ ´ ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSOREScampo el´ctrico y magn´tico; de frecuencia; ´ptico, electro-´pticos e infrarro- e e o ojos; radares; l´seres; de posici´n/navegaci´n; s´ a o o ısmicas y de ondas de presi´n; ode medio ambiente (viento, humedad, calor). Este tipo de dispositivo po-see recursos restringidos de energ´ comunicaci´n, memoria y capacidad de ıa, oc´mputo [4]. o2.1.1. Topolog´ ıa Dentro del ´rea de sensado, los sensores se interconectan por medio en- alaces inal´mbricos multi-salto, de corta distancia y baja potencia de trans- amisi´n, para enviar informaci´n a estaciones recolectoras o de monitoreo. o oT´ıpicamente se despliegan en grandes cantidades y con una distribuci´n odensa. Hay dos tipos de redes [21]: no estructuradas Comprende una colecci´n de nodos densa, desplegados ad hoc, po- o siblemente al azar. Una vez desplegados, la red opera desatendida, monitoreando y reportando informaci´n. El mantenimiento, la admi- o nistraci´n de la conectividad y detecci´n de fallas son dif´ o o ıciles por la gran cantidad de nodos. estructuradas Todos o algunos de los nodos son desplegados de manera pre-planificada, colocados en posiciones fijas. Tienen la ventaja de requerir una menor cantidad de nodos para lograr la cobertura del ´rea, con un menor a costo de administraci´n y mantenimiento. o Existen varias configuraciones de redes de sensores [22]. Un nodo fuentees una entidad en la red que puede proveer informaci´n, el nodo sensor. Por ootro lado, un sumidero es la entidad que requiere la informaci´n. El sumide- oro puede pertenecer a la red de sensores (y es otro sensor), ser una entidadexterna a la red o ser un gateway a otra red m´s grande, como Internet. aCom´nmente, el sumidero o estaci´n base es un dispositivo que posee recur- u osos de energ´ y capacidad computacional no acotados [5]. El modelo de red ıat´ ıpico comprende un sumidero y m´ltiples nodos fuente o sensores, pero en umuchas aplicaciones se utilizan tambi´n m´ltiples sumideros. e u Dadas las limitaciones de alcance de radio, las redes inal´mbricas de asensores en general son multi-salto, y los nodos sensores act´an como enca- uminadores, ahorrando la necesidad de dispositivos adicionales. El multi-saltopermite superar problemas con distancias largas y obst´culos, y mejora la aeficiencia de la comunicaci´n. Asimismo, la topolog´ de red puede ser plana o ıao jer´rquica, dependiendo de la aplicaci´n y el tipo de encaminamiento que a o 23
  24. 24. ´2.1. INTRODUCCIONmejor se adecue a sus requerimientos. La movilidad en las redes de sensores puede aparecer en tres formas prin-cipales [22]: movilidad del nodo sensor La movilidad del nodo sensor depende de la aplicaci´n. Por ejemplo, o en el monitoreo medioambiental, los nodos son estacionarios. Sin em- bargo, en el monitoreo de ganado, el sensor est´ sujeto al animal y por a lo tanto se mueve. Cuando hay movilidad, la red debe reorganizarse frecuentemente. movilidad del sumidero El aspecto importante es la movilidad de un sumidero que no es parte de la red, por ejemplo, un humano con un dispositivo personal solicita informaci´n mientras se desplaza dentro de un edificio inteligente. El o sumidero m´vil puede solicitar la informaci´n en un lugar de la red o o y luego moverse a otro lugar, y la red debe lograr que los datos lo alcancen. movilidad del evento En aplicaciones de seguimiento, los objetos o evento a seguir pueden ser m´viles. En este escenario, es importante que los eventos sean cubiertos o por una suficiente cantidad de sensores al mismo tiempo. A medida que el objeto se desplaza a trav´s de la red, es acompa˜ado por un ´rea e n a de actividad dentro de la misma. Los nodos que no detectan nada, alternan a estados de sue˜o hasta que se requieran transmisiones de n la zona en que se encuentran.2.1.2. Nodo sensorHardware Un nodo sensor b´sico comprende los siguientes cuatro subsistemas de ahardware[4][22] (ver figura 2.2 obtenida de [4]): Energ´ ıa Suministro o infraestructura de energ´ para poder operar desde unas ıa horas hasta meses o a˜os. n L´gica computacional y almacenamiento o Para el procesamiento de datos, almacenamiento temporal, cifrado, modulaci´n y transmisi´n. o o 24
  25. 25. CAP´ ´ ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORES Figura 2.2: Componentes de hardware del nodo sensor Sensor La interfaz entre el medioambiente y el nodo es el sensor. Puede ser de humedad, luz, flujo magn´tico, temperatura, etc. e Comunicaci´n o Se requiere un dispositivo para poder enviar y recibir informaci´n a o trav´s de un canal inal´mbrico. e aSoftware Los sensores generalmente operan con cinco subsistemas de software [4](ver figura 2.3 obtenida de [4]): Sistema operativo El microc´digo o sistema operativo, tambi´n llamado middleware, es o e el microc´digo com´n del dispositivo, utilizado por todos los progra- o u mas de alto nivel, residentes en el nodo. Usualmente, presentan una arquitectura que permite una r´pida implementaci´n con un tama˜o a o n m´ınimo de c´digo. TinyOS es un ejemplo [23]. o Controladores de sensores M´dulos de software que administran funciones b´sicas de los trancep- o a tores de sensores (sensor transceiver ). Procesadores de comunicaci´n o M´dulos que administran funciones de comunicaci´n, encaminamiento, o o almacenamiento y reenv´ de paquetes, mantenimiento de la topolog´ ıo ıa de red, control de acceso al medio, cifrado, correcci´n de errores, etc. o 25
  26. 26. ´2.1. INTRODUCCION Figura 2.3: Componentes de software del nodo sensor Controladores de comunicaci´n o M´dulos que administran las tareas de utilizaci´n del enlace de trans- o o misi´n por radio, sincronizaci´n, codificaci´n de se˜ales, recuperaci´n o o o n o de errores, modulaci´n. o Mini-aplicaciones de proceso de datos Aplicaciones b´sicas soportadas a nivel nodo para procesamiento de a datos en la red.Protocolos Los controladores y procesadores de comunicaci´n, piezas de software oque asisten a la interconexi´n entre nodos, son componentes arquitect´nicos o ode mayor relevancia. Se ha realizado mucha investigaci´n para desarrollar oprotocolos especialmente dise˜ados para las redes inal´mbricas de sensores. n aEn la figura 2.4 (obtenida de [4]) se ilustra un modelo de protocolos gen´rico eque com´nmente es utilizado para describir el aparato de comunicaci´n [4]. u o En la tabla 2.1 (obtenida tambi´n de [4]) se caracterizan brevemente las efunciones de cada capa de la pila.2.1.3. Cuestiones de dise˜ o n Para que las redes de sensores lleguen a ser verdaderamente omnipre-sentes se deben encontrar soluciones a problemas propios de dise˜o, entre nellos[4]: 26
  27. 27. CAP´ ´ ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORES Figura 2.4: Pila gen´rica de protocolos del nodo sensor e Capas superiores Aplicaciones residentes en la red, procesamiento, agregaci´n, proce- o samiento de consultas externas, y base de datos externa. Capa 4 Transporte, incluyendo disemina- ci´n y acumulaci´n de datos, cache o o y almacenamiento. Capa 3 Red, administraci´n din´mica de la o a topolog´ y encaminamiento ıa Capa 2 Enlace, administraci´n del canal o compartido, competencia por el ca- nal, y acceso al medio, sincroniza- ci´n y localizaci´n o o Capa 1 F´ısica, canal de comunicaci´n, pro- o cesamiento de se˜ales n Cuadro 2.1: Funciones de la pila de protocolos WSN Restricciones de hardware Un sensor podr´ tener que caber en un m´dulo de unos pocos cent´ ıa o ıme- tros c´bicos de volumen. Los sensores podr´ tambi´n tener que ser u ıan e desechables, aut´nomos y adaptativos al ambiente. Se necesita lograr o un empaque confiable a pesar de estas restricciones de hardware. La figura 2.5, obtenida de la hoja de datos del nodo MicaZ [24]), corres- ponde a un nodo de 58 mm de largo, 32 mm de ancho y 7 mm de altura, excluyendo la bater´ ıa. 27
  28. 28. ´2.1. INTRODUCCION Figura 2.5: Nodo sensor MicaZ de MEMSIC Consumo de energ´ ıa La vida util del sensor depende mucho de la duraci´n de la bater´ ´ o ıa, y en muchos casos es limitada y no se puede recargar. Por lo tanto, se deben dise˜ar algoritmos y protocolos conscientes de la energ´ n ıa. Se pueden definir tres dominios funcionales de consumo de energ´ ıa: sensado, comunicaci´n y procesamiento; todos requieren optimizaci´n o o para minimizar la utilizaci´n de energ´ o ıa. Costo Casi por definici´n, la red inal´mbrica de sensores consiste de un gran o a conjunto de nodos sensores, por lo que el costo de cada unidad afecta cr´ ıticamente el costo de la red. Ambiente Se espera que las redes de sensores operen de manera desatendida en lugares geogr´ficos remotos, con grandes desaf´ de administraci´n, o a ıos o densamente desplegados, o dentro del ambiente observado. Canales de transmisi´n o Los medios de comunicaci´n inal´mbricos utilizados son restringidos o a en ancho de banda y desempe˜o en general. Para facilitar la operaci´n n o global de estas redes, el canal seleccionado debe estar disponible en todo el mundo. Conectividad y topolog´ ıa Se necesitan protocolos ad hoc dise˜ados para soportar cambios de n topolog´ debido a la movilidad, disponibilidad de recursos, p´rdidas ıa e de informaci´n, apagones, mal funcionamiento, interferencia, etc. o Est´ndares a Un conjunto de protocolos y est´ndares abiertos son necesarios para las a 28
  29. 29. CAP´ ´ ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORES capas f´ ısica, enlace, red y transporte. Hist´ricamente, se han utilizado o protocolos espec´ ıficos de cada aplicaci´n, con el efecto de retardar la o comercializaci´n a gran escala. o2.2. Tipos de aplicaci´n o Por la variedad de aplicaciones que pueden tener las WSNs, existe lanecesidad de desarrollar protocolos espec´ıficos del tipo de aplicaci´n, con el oriesgo de desarrollar un protocolo diferente para cada aplicaci´n [25]. Por oello es importante poder clasificar las aplicaciones, para dise˜ar soluciones nde clase. Una clasificaci´n no ser´ exhaustiva, puesto que puede haber su- o aperposici´n de clases en alg´n aspecto, sin embargo, lo m´s importante es o u aque permite organizar el dise˜o. n En [26] se presenta una clasificaci´n de nueve dimensiones taxon´micas, o oentre ellas: Vida util ´ Si bien existe una variedad de m´tricas relacionadas al consumo de e energ´ se propone que la medida fundamental debe estar relacionada ıa, con el concepto de vida util de la red, es decir el tiempo que dura ´ funcionando de manera operativa. Puede ser simple o de duraci´n fija, o compleja o de fases m´ltiples. u Latencia La latencia, esto es, el tiempo que tarda en recibirse un paquete, es un requerimiento temporal cuantificable en las redes inal´mbricas de a sensores. Puede ser despreciable, moderada o estricta. Ancho de banda Abarca dos aspectos del patr´n de tr´fico. Se refiere al volumen de da- o a tos requerido y a la frecuencia de las transmisiones. Puede ser epis´dico- o bajo, epis´dico-alto, continuo-bajo o continuo-alto. o En [25] se presenta una clasificaci´n algo m´s simplificada y basada en o alos objetivos de la aplicaci´n, los requerimientos de entrega de datos y el opatr´n de tr´fico, definiendo cuatro tipos de aplicaci´n descriptos en la si- o a oguientes secciones. Para cada tipo, se especifican los requerminetos de vidautil, latencia, ancho de banda y encaminamiento. Un clasificaci´n similar se´ oha tratado en [27].2.2.1. Detecci´n y reporte de eventos oPatr´n de tr´fico: Epis´dico o a oLatencia: Estricta 29
  30. 30. ´2.2. TIPOS DE APLICACIONVida util: Compleja ´ El objetivo de este tipo de aplicaci´n es la detecci´n de un evento infre- o ocuente, como pueden serlo la presencia de un intruso, una anomal´ o falla ıamec´nica, un incendio en un bosque. Una vez detectado, el evento debe ser aprontamente reportado al sumidero. La aplicaci´n instalada estar´ inactiva o acasi todo el tiempo, y se producir´n r´fagas de actividad cuando un evento a asea detectado. Este tipo de aplicaci´n tiene dos problemas importantes. El oprimero es la necesidad de disminuir la tasa de falsas alarmas que puedanproducirse, posiblemente utilizando el consenso de un grupo de nodos paradetectar el evento, en lugar de un unico nodo. El segundo problema, m´s ´ aimportante a´n, es el encaminamiento del evento al vuelo, hacia el sumidero. u Por la infrecuencia de los eventos, el principio de dise˜o que predomina es nel de minimizar el consumo de energ´ del resto de las actividades. Entonces, ıadado que se espera que el volumen de tr´fico sea muy bajo, la equidad o las acolisiones en el enlace no son muy importantes, pero la escucha ociosa y elintercambio de mensajes de control deben optimizarse.Direccionamiento y encaminamiento Para el encaminamiento en este tipo de aplicaciones, en [25] se destacala necesidad de un mecanismo de direccionamiento especial, la construcci´n ode rutas de manera reactiva y la utilizaci´n de un ciclo de servicio del tran- oceptor que permita el ahorro de energ´ ıa. Un esquema de direcciones es necesario para el enlace y el encaminamien-to, y para etiquetar los datos con informaci´n sobre el lugar donde fueron ogenerados. Por la gran cantidad de nodos, no resulta conveniente utilizaruna direcci´n para cada nodo, ya que se necesitar´ un tama˜o de direcci´n o ıa n obastante grande. Adem´s, los nodos en general se comunican s´lo localmen- a ote (con los vecinos) o al sumidero, por lo que no se necesita direccionar decualquier nodo a cualquier nodo. En aplicaciones de detecci´n de eventos, es m´s adecuado utilizar en- o acaminamiento reactivo, pues la transmisi´n de datos es infrecuente, y si se outiliza encaminamiento proactivo, el mantenimiento de rutas genera un cos-to innecesario. En general, una gran cantidad de energ´ es consumida en escucha ocio- ıasa. Como es raro que ocurra un evento, los nodos utilizan muy poca energ´ ıaen transmitir realmente la informaci´n. Por ello, se busca que los nodos ofuncionen en modo ahorro de energ´ apagando sus radios peri´dicamente ıa, oen forma independiente o coordinada, ejecutando un ciclo domir-servir. Co- 30
  31. 31. CAP´ ´ ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORESmo la comunicaci´n es multi-salto, es necesario que el nodo est´ despierto o eperi´dicamente para reenviar datos de otros nodos, aunque no tenga infor- omaci´n propia para transmitir. o2.2.2. Recolecci´n de datos y reporte peri´dico o oPatr´n de tr´fico: Continuo o aLatencia: DespreciableVida util: Simple ´ Esta clase incluye a las aplicaciones de monitoreo. Por ejemplo, el moni-toreo de cultivos o ganado, o del ambiente (temperatura, humedad y luz) deun edificio. En estos casos, cada sensor produce una cantidad de informa-ci´n de manera peri´dica y constante que debe ser encaminada al sumidero. o oTambi´n, el sumidero podr´ requerir el c´mputo distribuido de alguna fun- e ıa oci´n de las lecturas de los nodos sensores. Esta agregaci´n de datos puede o oser implementada utilizando una topolog´ de red jer´rquica o plana, en ıa adonde la comunicaci´n es multi-salto y los nodos intermedios van agregando ola informaci´n salto a salto. oDireccionamiento y encaminamiento Para esta clase de aplicaci´n, es importante que las rutas permitan op- otimizar la vida util de la red [25]. ´ Al haber un flujo constante de informaci´n, la mayor parte de la energ´ o ıadel nodo se gasta en la transmisi´n. Por ello es importante que las rutas osean seleccionadas de manera de maximizar la vida util de la red. En este ´sentido, en distintos trabajos se ha comprobado que seleccionar la ruta querequiere menor energ´ total de transmisi´n, hace que se agote la bater´ ıa o ıade los nodos a lo largo del camino, pudiendo acortar el tiempo que la redfunciona sin particionarse. Por ello, se buscan mecanismos para balancear lacarga del encaminamiento entre los nodos. En redes de topolog´ jer´rquica de cl´ster, la cabecera de cl´ster reco- ıa a u ulecta datos de los nodos y los env´ agregados al sumidero. As´ el gasto de ıa ı,energ´ en transmisi´n es mucho m´s alto en la cabecera que en los nodos, ıa o ay para uniformizar el patr´n de agotamiento de energ´ el rol de cabecera o ıa,puede rotarse. Tambi´n, pueden utilizarse nodos con mejores capacidades epara llevar a cabo las tareas de cabecera, simplificando las funciones en losnodos ordinarios, que ya no podr´ cumplir tambi´n ese rol. Para transmi- ıan etir a la cabecera, los nodos podr´ utilizar comunicaci´n multi-salto o de ıan osalto-´nico, y un esquema h´ u ıbrido permite, nuevamente, agotar la energ´ıade la red de manera m´s uniforme. a 31
  32. 32. ´2.2. TIPOS DE APLICACION2.2.3. Consulta iniciada por sumideroPatr´n de tr´fico: Epis´dico o a oLatencia: ModeradaVida util: Compleja ´ En este escenario, el sumidero puede requerir consultar la medici´n de oun conjunto de sensores en un determinado momento. Esto permite extraerinformaci´n con diferentes grados de resoluci´n, de diferentes regiones en o oel espacio. Desde el punto de vista del encaminamiento, se requiere poderenviar datos a un conjunto din´mico de nodos. Para poder consultar selecti- avamente un subconjunto de datos, el sumidero debe poder expresar el inter´s econ alg´n esquema de metadatos de la informaci´n. La consulta se difunde u oa un grupo de nodos que buscar´n coincidencias y eventualmente enviar´n a asus respuestas.Una funcionalidad adicional de las redes basadas en consulta puede ser lareprogramaci´n de nodos, si la mayor parte del hardware puede ser contro- olado por software, las actividades de generaci´n de datos del nodo pueden oser modificadas por el sumidero.Direccionamiento y encaminamiento En este tipo de aplicaciones, el esquema de direcciones debe permitirhacer broadcast a una regi´n espacial en particular [25]. T´ o ıpicamente, elsumidero requerir´ consultar un subconjunto de nodos localizados en una aregi´n espec´ o ıfica, en lugar de un nodo en particular, de lo que se deriva la ne-cesidad de un mecanismo de direccionamiento especial que lo permita. Parapoder difundir una consulta a un grupo de nodos, el encaminamiento debepoder soportar el broadcast limitado a una regi´n, utilizando informaci´n de o oposici´n. o2.2.4. SeguimientoPatr´n de tr´fico: Epis´dico, Continuo o a oLatencia: EstrictaVida util: Compleja ´ El seguimiento con redes inal´mbricas de sensores tiene muchas apli- acaciones en la vigilancia militar o de frontera, donde interesa rastrear elmovimiento de objetos. En medio ambiente las aplicaciones incluyen el se-guimiento de patrones de movimiento de peque˜os animales. nEsta clase de aplicaciones combinan caracter´ ısticas de las tres anteriores.Cuando se detecta un evento, debe ser prontamente reportado al sumide-ro. El sumidero puede iniciar consultas a la regi´n en donde el evento fue odetectado, para poder calcular la trayectoria del objeto. Una cuesti´n de o 32
  33. 33. CAP´ ´ ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORESdise˜o importante es determinar un balance entre el costo de calcular rutas nal vuelo o mantener alguna topolog´ para facilitar el proceso de seguimiento. ıa El posicionamiento tiene incidencias en dos niveles: el sensor debe deter-minar su propia posici´n, para luego colaborar en la localizaci´n del objetivo o oen varios momentos. El esquema de posicionamiento deber´ balancear robus- atez y eficiencia, es decir, la exactitud de la posici´n al menor costo energ´tico o eposible. Para el seguimiento se ha propuesto la utilizaci´n de cl´steres din´micos, o u aformados por agrupaciones de nodos, seg´n sus mediciones. Las cabeceras ucolaboran de manera de activar el cl´ster m´s pr´ximo al objetivo para la u a orecolecci´n de datos. oDireccionamiento y encaminamiento Para facilitar la detecci´n del objetivo, nuevamente, la estrategia de en- ocaminamiento deber´ estar basada en la posici´n geogr´fica de los nodos, en a o alugar de sus identidades de hardware.2.2.5. Resumen A continuaci´n se resumen las caracter´ o ısticas de cada clase de aplicaci´n oWSN presentada en [25], utilizando algunas de las dimensiones taxon´micas ode [26]. Tipo de aplicaci´no Vida util ´ Latencia Ancho de banda Detecci´n y reporte de eventos o Compleja Estricta Epis´dico o Recolecci´n de datos y reporte pe- o Simple Baja Continuo ri´dico o Consulta iniciada por sumidero Compleja Moderada Epis´dico o Seguimiento Compleja Estricta Epis´dico o Cuadro 2.2: Resumen de tipos de aplicaci´n y caracter´ o ısticas Las figuras 2.6a y 2.6b corresponden a tipos de aplicaciones ofrecidaspor una compa˜´ real, y fueron obtenidas de su sitio web [3]. nıa2.3. Est´ndares de comunicaci´n a o2.3.1. Bluetooth y Wi-Fi Los sistemas Bluetooth y Wi-Fi (IEEE 802.11) son dos opciones muypopulares y comercialmente disponibles cuya utilizaci´n en redes inal´mbri- o acas de sensores ha sido evaluada. 33
  34. 34. ´ ´2.3. ESTANDARES DE COMUNICACION (a) Detecci´n de incendios en un bosque o (b) Monitoreo de cultivos Figura 2.6: Tipos de aplicaci´n o Bluetooth es un sistema dise˜ado como una red inal´mbrica de ´rea per- n a asonal, su principal aplicaci´n es la conexi´n de dispositivos a una compu- o otadora personal. Se han hecho prototipos de redes de sensores basadas enBluetooth, los nodos organizados en picoredes con un nodo maestro y unm´ximo de siete nodos esclavos activos. El maestro elije la secuencia de ahopping que deben seguir los esclavos. Puede haber varios nodos esclavos enestado pasivo en la picored, el maestro interroga los nodos esclavos activoscontinuamente.Hay varios inconvenientes de la aplicaci´n de Bluetooth a redes inal´mbricas o ade sensores [22]: la necesidad de tener un nodo maestro constantemente, con el costo de interrogar sus esclavos la cantidad limitada de esclavos por picored que soporta para el caso de redes de sensores densas, se necesitar´ un n´mero ıa u enorme de nodos maestros un esclavo activo debe permanecer siempre encendido, ya que no puede predecir cuando ser´ interrogado por el maestro a un esclavo pasivo debe postularse con el maestro para cambiar a activo, y si ya hay siete nodos activos, ser´ rechazado a se requiere que cada nodo pueda asumir el rol de maestro o esclavo, agregando una complejidad considerable los r´pidos saltos de frecuencia requieren una sincronizaci´n estricta a o entre los nodos de la picored s En la familia de protocolos IEEE 802.11 se especifican varios tipos decapa f´ ısica que comparten un unico protocolo de capa MAC (DCF). En ´ 34
  35. 35. CAP´ ´ ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORESt´rminos generales, el est´ndar de protocolos IEEE 802.11 tiene los siguien- e ates inconvenientes [22]: requiere que los nodos est´n permanentemente escuchando el medio, e ya que podr´ tener que recibir un frame en cualquier momento ıan los nodos deben sobre-escuchar paquetes RTS y CTS para ajustar sus temporizadores NAV adecuadamente si bien se proveen algunas funcionalidades de ahorro de energ´ en ıa, general est´ orientado a altas tasas transmisi´n, y los tranceptores a o disponibles requieren una cantidad de energ´ que es ´rdenes de mag- ıa o nitud mayores que lo aceptable en aplicaciones de redes de sensores es un protocolo de salto-´nico para redes ad-hoc, cuando lo com´n en u u redes de sensores es el encaminamiento de salto-m´ltiple u2.3.2. Est´ndar IEEE 802.15.4-2006 a El est´ndar IEEE 802.15.4, finalizado en el 2003 por el Instituto de In- agenieros El´ctricos y Electr´nicos, define la capa f´ e o ısica y MAC para redesinal´mbricas de ´rea personal (WPAN ) de baja tasa de transmisi´n. A ve- a a oces se confunde el est´ndar con ZigBee, otro est´ndar que agrega servicios a ade red, seguridad y aplicaci´n, y est´ basado en los servicios ofrecidos por o aIEEE 802.15.4. Los tipos de aplicaci´n a los que est´ orientado el est´ndar o a acomprenden las redes inal´mbricas de sensores, la dom´tica, las redes hoga- a ore˜as, la conexi´n de dispositivos a una computadora personal, seguridad, n oetc. La mayor´ de estas aplicaciones requieren tasas de transmisi´n bajas ıa oa medias, retardos de transmisi´n moderados con requerimientos no muy oestrictos, y es muy deseable la reducci´n al m´ o ınimo del consumo de energ´ ıaen los nodos.Capa f´ ısica El dise˜o de la capa f´ n ısica est´ dirigido por los requerimientos de bajo acosto y eficiencia, de aplicaciones de control y monitoreo sensibles al costo yde baja tasa de transmisi´n [4]. Bajo el est´ndar 802.15.4, se pueden operar o aenlaces inal´mbricos en tres bandas de frecuencias no licenciadas: 858 MHz, a902 a 928 MHz, y 2.4 GHz. Basados en estas frecuencias, se definen tresmedios f´ısicos: 1. DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) usando modulaci´n BPSK o en la banda 868 MHz a una tasa de 20 Kbps (´nico canal) u 35
  36. 36. ´ ´2.3. ESTANDARES DE COMUNICACION 2. DSSS usando modulaci´n BPSK en la banda de 915 MHz a una tasa o de 40 Kbps (10 canales) 3. DSSS usando modulaci´n O-QPSK en la banda 2.4 GHz a una tasa o de 250 Kbps (16 canales) El est´ndar IEEE 802.15.4-2007 es una enmienda que especifica las si- aguientes alternativas adicionales de capa f´ ısica (PHY) [28]: 1. Ultra-wide band (UWB) a frecuencias 3 a 5 GHz, 6 a 10 GHz, y < 1 GHz 2. CSS (Chirp Spread Spectrum) a 2450 MHz Figura 2.7: Estructura del paquete de capa f´ ısica IEEE 802.15.4 La estructura del frame IEEE 802.15.4, ilustrada en la figura 2.7 (obte-nida de [4]), comprende los siguientes campos: 1. pre´mbulo: 32 bits que se utilizan para sincronizaci´n de s´ a o ımbolos 2. delimitador: 8 bits que se utilizan para sincronizar la recepci´n del o frame 3. cabecera: 8 bits que especifican la longitud de la unidad de datos (PSDU, PHY Service Data Unit) 4. datos: hasta 127 bytes de datosCapa de acceso al medio Arquitectura de red El est´ndar distingue dos tipos de nodo [4]: a 36
  37. 37. CAP´ ´ ITULO 2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORES FFD (Full Function Device) dispositivo de funcionalidad completa, que puede operar como coordi- nador de la red PAN, coordinador a secas, o dispositivo RFD (Reduced Function Device) dispositivo de funcionalidad reducida, s´lo opera como dispositivo o Un dispositivo debe estar asociado a un nodo coordinador FFD forman-do una red de topolog´ estrella. Los coordinadores pueden comunicarse ıapunto a punto y varios coordinadores pueden formar una red PAN. La redse identifica con un identificador PAN de 16-bits y uno de sus coordinadoreses designado como coordinador PAN. El coordinador: mantiene la lista de dispositivos asociados asigna direcciones cortas a sus dispositivos asociados en modo ranurado, transmite regularmente el beacon (mensaje baliza), anunciando el identificador de red PAN, y las ranuras reservadas intercambia frames de datos con dispositivos y con coordinadores Modo ranurado (beaconed mode) En modo ranurado, el coordinador de la red estrella organiza el accesoal canal y la transmisi´n de datos especificando un superframe. El super- oframe describe un ciclo de actividades que se repite en forma peri´dica. El ocoordinador arranca cada superframe transmitiendo el frame de se˜aliza- nci´n (beacon packet), que incluye la especificaci´n del superframe, con o ola duraci´n de cada actividad. o Figura 2.8: Superframe de IEEE 802.15.4 CSMA ranurado Como se observa en la figura 2.8 (obtenida de [4]), el superframe se divideen dos per´ ıodos, cuya duraci´n es configurable: o 37
  38. 38. ´ ´2.3. ESTANDARES DE COMUNICACION 1. Per´ ıodo activo Se divide en 16 ranuras de tiempo (de duraci´n configurable), la pri- o mera ocupada en transmitir el frame de se˜alizaci´n, y las restantes n o se reparten en dos fases: CAP (Contention Access Period ), el acceso es por competencia y GTSs (Guaranteed Time Slots), el acceso es ex- clusivo por ranuras de tiempo garantizadas. El coordinador debe estar activo durante la totalidad del per´ıodo, y los dispositivos asociados est´n activos en las ranuras de tiempo GTS que le fueron asignadas. a En la fase CAP el nodo tambi´n puede apagar el tranceptor si no tiene e nada que transmitir o recibir. 2. Per´ıodo inactivo Durante este per´ıodo, todos los nodos incluyendo el coordinador pue- den apagar el tranceptor y ponerse a dormir. Los nodos deber´n des- a pertar justo antes de la transmisi´n del frame de se˜alizaci´n para o n o recibirlo. Los coordinadores hacen mucho m´s trabajo que los dispositivos, el pro- atocolo est´ dise˜ado para una topolog´ de sensores restringidos en energ´ a n ıa ıaque se comunican con nodos de energ´ no acotada. ıa El coordinador asigna ranuras de tiempo garantizadas a los dispositivosque han enviado paquetes de solicitud durante la fase CAP. Una marca enla solicitud indica si el GTS es para transmitir al coordinador o para recibirdatos del coordinador, y otro campo indica la cantidad de ranuras de tiempocontiguas que se desean reservar. La respuesta del coordinador ocurre en dos pasos. El primero es unaconfirmaci´n inmediata de la recepci´n de la solicitud. Al recibir la confir- o omaci´n, el dispositivo debe rastrear los beacons por un determinado tiempo. oCuando el coordinador tiene suficientes recursos para otorgar las ranurassolicitadas, inserta un descriptor GTS en el siguiente beacon. El descriptorcontiene la direcci´n del nodo solicitante, y la cantidad y posici´n de las o oranuras otorgadas dentro de la fase GTS. El dispositivo puede utilizar lasranuras asignadas cada vez que son anunciadas por el coordinador. Asimis-mo, las ranuras permanecen asignadas hasta que el dispositivo solicita suliberaci´n con un frame de control especial, o el coordinador detecta que ono han sido utilizadas durante una determinada cantidad de superframes ylas cancela con un descriptor GTS que contiene una posici´n inv´lida. Si o ael coordinador no tiene los suficientes recursos, tambi´n transmite un des- ecriptor GTS especificando una posici´n inv´lida y los recursos que s´ est´n o a ı adisponibles, pudiendo el dispositivo renegociar el GTS. La transmisi´n de informaci´n del dispositivo al coordinador ocurre en o oranuras GTS, o en la fase CAP utilizando CSMA-CA ranurado. En la direc-ci´n opuesta, la transmisi´n de informaci´n del coordinador al dispositivo o o oocurre tambi´n en ranuras GTS, y si no se han reservado, se hace de la esiguiente manera: 38

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