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REDES DE SENSORES
ELISA SCHAEFFER
Posgrado en Ingeniería de Sistemas, PISIS/FIME/UANL
San Nicolás de los Garza (Monterrey), Nuevo León, México
Universidad Diego Portales, Santiago de Chile
el 4 de abril del 2007
SENSOR
Elemento detector (inglés: sensor element) = un componenteelectrónico capaz de evaluar la presencia de algún fenómenoambiental, acústico, sísmico, infraroja, etcétera
Nodo sensor (inglés: sensor node) tiene además de un detector ovarios típicamente
capacidad de procesamiento limitado: un procesador paracontrolar la operación de la unidad
memoria limitado: un nodo puede ser capaz de agregar datos,pero algunos no tienen capacidad de memoria para guardad talinformación
una fuente de energía limitada (pila o bateria)
EJEMPLO
Procesador de Texas Instruments y radio de Chipcon (IEEE802.15.4). Precio 100 USD por unidad, 8,000 USD por cienunidades y 40,000 por mil unidades.
russnelson.com/wisan/Sensor-node-front.jpg
RED DE SENSORES
= un conjunto de sensores distribuidos en una región geográfica
Una red típicamente cuenta con una gran cantidad de sensores.
Los nodos pueden ser estacionarios o móviles (robóticos).
TAREAS TÍPICAS
Determinar un parámetro ambiental : calor, presión, luz,radiación, presencia de humo, humadad, ruido, fricción
Detectar eventos : presencia, llegada, movimiento, vibración,flujo
Estimar parámetros : velocidad, dirección
Clasificar objetos detectados
Seguir la trayectoría de un objeto detectado
REDES AD HOC
Una red ad hoc es una red de nodos móviles capazes de realizarruteo entre ellos.
Su formación es por auto-configuración sobre una topología físicaarbitraria, bajo modificación frecuente por los movimientos,salidas, llegadas y fallas de los nodos participantes.
Las redes ad hoc existen para facilitar comunicación entre los nodosmismos, no para servir alguna entidad externa.
Ad hoc es latín y significa “para este propósito”.
SIMULACIÓN DE UNA RED AD HOC
REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
Cada sensor está capaz de comunicación inalámbrica (por radio derango corto). Los sensores comunican entre ellos en manerasparecidas al funcionamiento de un red ad hoc.
No todos los nodos son necesariamente iguales ; por ejemplo,algunos pueden tener un radio de mejor rango o más memoria.
Un red de sensores existe para cumplir con una tarea. La red ensi no tiene valor, sino sus salidas.
COMUNICACIÓN AL USUARIO
La red entera entrega información a un usuario según reglas deoperación predefinidas. El intervalo deseable o el eventodisparador de la comunicación dependen de la aplicación.
El usuario no necesariamente está interesado en la red entera entodo momento, sino posiblemente quiere averiguar datos de unacierta parte.
COMUNICACIÓN ENTRE LOS SENSORES
Depende de los sensores si o no se puede dirigir comunicación aun cierto nodo por un mecanismo de direcciones y/o identidades.
sí: posibilidades de ruteo sofisticado donde se planifica la rutautilizado
no: comunicación broadcast, controlado por mecanismos detransmisión y recepción
Para lograr comunicación más eficiente, no es deseable siempreinformar el usuario de cada observación directamente, sino agregar,filtrar y analizar datos dentro de la red.
MINISENSORES
Si los sensores utilizados son de tamaño que se mide en millimetroso micrometros, la tecnología necesaria ya es de tipo nanotecnología.
En vez de redes de sensores, se suele utilizar el nombre polvointeligente (smart dust). Si son robotes, se habla de niebla deutilidad (utility fog).
B. Warneke, et al. Smart Dust: Communicating with a Cubic-Millimeter , Computer, Vol. 34,
pp. 44–51, 2001.
TIPOS DE APLICACIONES
Este tipo de sistemas ofrece posibilidades de modos de operaciónnuevos en varios campos de aplicación:
Vigilancia
Monitoreo
Conteo
Detección
Observación
APLICACIONES VEHICULARES
Estacionamiento : los sensores detectan si o no está ocupadopara contar la disponibidad actual e indicar dónde se puedeestacionar.
Conteo vehicular: monitoreo de flujos de tráfico y congestión
APLICACIONES DE SEGURIDAD
Vigilancia de una región: movimiento, intrusión, conteo deindividuos
Detección de explosiones, sustancias, etcétera
APLICACIONES AMBIENTALES
Detectar y clasificar sustancias químicas
Detectar y monitorear cambios ambientales
Monitoreo incluso dentro de un organismo vivo
DISEÑO DE TOPOLOGÍA
No es siempre una idea buena utilizar directamente el grafo decontactos entre los nodos. Incluso puede resultar difícil, caro oimposible obtener tal información estructural.
En el caso ideal, la red misma va a saber obtener la informacióntopológica necesaria para su función y adaptar su estructuracuando la red está sujeto a cambios por fallas o movimiento de losnodos sensores.
Depende de la aplicación si o no es deseable o necesario un nivelalto de adaptación dinámica.
Si la despliegue de los nodos es incremental o se realizareemplazos, adiciones o eliminaciones de nodos, una redauto-organizadora es mucho más fácil de administrar.
ADMINISTRACIÓN DE ENERGÍA
Como los nodos suelen operar con una pila o batería decapacidad limitada , y el uso del radio suele consumir bastantesrecursos, es importante diseñar protocolos de comunicación quepermiten que los nodos ajusten su modo de operación.
Posibilidades : suspendir transmisión/recepción, hibernar elprocesador, ajustar el rango de transmisión, limitar el reenvío demensajes
SEGURIDAD
Los nodos son aparatos muy simples, pero en algunas aplicacioneslos datos transmitidos son de naturaleza confidencial .
Por las limitaciones de recursos en los nodos, los algoritmos decifrar datos no pueden contar con mucha memoria o un procesadorpoderoso.
SIMULACIÓN : REPAST (RECURSIVE PORUS AGENT SIMULATION TOOLKIT )
http://repast.sourceforge.net/
para el modelado de sistemas de agentes en 2D
gratuito, multiplataforma
programación orientada a objetos, multilenguaje
incluye algoritmos genéticos, MCMC, redes neuronales y regresión
varios ejemplos para modificar
eventos discretos paralelos o secuenciales
herramientas para registrar eventos y preparar diágramas dinámicas
M.J. North, N.T. Collier y J.R. Vos, Experiences Creating Three Implementations of the Repast
Agent Modeling Toolkit , ACM Transactions on Modeling and Computer Simulation, Vol. 16, No. 1,
pp. 1-25, Jan 2006.
EJEMPLO DE REPAST
EXPERIMENTACIÓN : ORBIT W IRELESS NETWORK TESTBED
http://www.orbit-lab.org/
proyecto de la NSF (Rutgers, Columbia, Princeton, Lucent Bell Labs,
Thomson y IBM Research)
una red experimental de gran escala
para investigación sobre protocolos y aplicaciones de redes
inalámbricas
una reja 2D de nodos estacionarios con radio
cuenta con nodos moviles adicionales
primer paso: emulador, segundo: red física
ORBIT POR DENTRO
D. Raychaudhuri, et al. Overview of the ORBIT radio grid testbed for
evaluation of next-generation wireless network protocols , en
Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking
Conference , Vol. 3, pp. 1664-1669, IEEE, 2005.
OPTIMIZACIÓN
Optimización es el proceso de selección de los parámetros(asignación de valores a un conjunto de variables) sujeto a unconjunto de restricciones así que se maximiza/minimiza algúnafunción objetivo .
En redes de sensores, hay muchos usos para optimización:maximizar la vida, minimizar el consumo de energía, minimizar eltiempo de reacción, maximizar la cobertura, minimizar el número dealarmas falsas, minimizar interferencia...
NUESTRO ENFOQUE
El uso de formulaciones en términos de programación lineal oentera-mixta y su optimización distribuida por computaciónlocales y comunicación limitada por los nodos mismos. Muchosmétodos utilizan caracteristicas locales del problema dual de laformulación original del problema de interés.
TRABAJO DE MI EX -GRUPO
P. Floréen, P. Kaski, J. Kohonen y P. Orponen. Lifetime maximizationfor multicasting in energy-constrained wireless networks , IEEEJournal on Selected Areas in Communications, Vol, 23 pp. 117–126,2005.
P. Floréen, P. Kaski, J. Kohonen y P. Orponen. Exact and approximatebalanced data gathering in energy-constrained sensor netw orks ,Theoretical Computer Science, Vol. 344, pp. 30–46, 2005.
A. Schumacher, H. Haanpää, S.E. Schaeffer y P. Orponen. Loadbalancing by distributed optimisation in ad hoc networks , enProcedings of the Second International Conference on Mobile Ad-hocand Sensor Networks, pp. 873–884, Springer 2006.
S. Prasad, A. Schumacher, H. Haanpää y P. Orponen. Balancedmultipath source routing , en Proceedings of the 21st InternationalConference on Information Networking, 2007.
POSIBLES LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN 1
2
Diseño del hardware de los sensores mismos
Modelado del comportamiento de un sensor
Arquitectura, topología, desplegamiento, auto-organización
Control de la consumo de energía: control de transmisión,modos de operación
Algoritmos de ruteo, diseño de protocolos
POSIBLES LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN 2
2
Identidad, direcciones, estimación de posición
Sincronización
Recolección, procesamiento y almacenaje de datos
Coordinación de cooperación, computación distribuida
Escalabilidad, servicios
Armazones de simulación y experimentos
INFORMACIÓN DE CONTACTO
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