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TRABAJO DE AMPLIACIN DE REDES

REDES DE SENSORES

INALMBRICAS

Alumno: Jess Serna Sanchis Mircoles 10 de Enero de 2007

Ampliacin de Redes Ingeniera Informtica

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NDICE

REDES DE SENSORES INALMBRICAS (WSN).. 3 TIPOS DE SENSORES (MOTAS).. 5 SISTEMAS OPERATIVOS PARA MOTAS.......7 SISTEMA OPERATIVO TINYOS...... 8 LENGUAJES DE PROGRAMACIN.... 9 APLICACIONES CON WSN........ 10 PROTOCOLOS MAC PARA WSN

INTRODUCCIN... 11 CLASIFICACIN DE PROTOCOLOS MAC... 12 ELECCIN DEL PROTOCOLO MAC.. 13 EJEMPLOS DE PROTOCOLOS MAC.. 14

PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO PARA WSNs

INTRODUCCIN... 16 MODELOS DE ROUTING. 16 TCNICAS Y OBJETIVOS 17

BIBLIOGRAFA.... 18


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REDES DE SENSORES INALMBRICAS

INTRODUCCIN

En los aos 90, las redes han revolucionado la forma en la que las personas y las organizaciones intercambian informacin y coordinan sus actividades. En sta dcada seremos testigos de otra revolucin; una nueva tecnologa permitir la observacin y el control del mundo fsico. Los ltimos avances tecnolgicos han hecho realidad el desarrollo de unos mecanismos distribuidos, diminutos, baratos y de bajo consumo, que, adems, son capaces tanto de procesar informacin localmente como de comunicarse de forma inalmbrica. La disponibilidad de microsensores y comunicaciones inalmbricas permitir desarrollar redes de sensores/actuadores para un amplio rango de aplicaciones.

Esto conllevar un necesario desarrollo de modelos fsicos, los cuales requieren

un anlisis y monitorizacin de datos efectivo y funcional. Un segundo reto a superar es la variabilidad de este nuevo entorno. Mientras un buen sistema distribuido se desarrolla con la fiabilidad como elemento bsico, estas nuevas aplicaciones presentan un nivel de aleatoriedad ms all de lo comn.

Pero la idea dominante radica en las restricciones impuestas por los sistemas en

estado inactivo. Estos sistemas deben ser de bajo consumo y larga duracin; tanto cuando operan como cuando permanecen a la espera. Adems, como en Internet, tenemos sistemas escalables, sin embargo las tcnicas tradicionales no son aplicables directamente, as que debemos desarrollar tcnicas alternativas.

REDES DE SENSORES (MOTAS)

Cada nodo de la red consta de un dispositivo con microcontrolador, sensores y transmisor/receptor, y forma una red con muchos otros nodos, tambin llamados motas o sensores. Por otra parte, un sensor es capaz de procesar una limitada cantidad de datos. Pero cuando coordinamos la informacin entre un importante nmero de nodos, stos tienen la habilidad de medir un medio fsico dado con gran detalle. Con todo esto, una red de sensores puede ser descrita como un grupo de motas que se coordinan para llevar a cabo una aplicacin especifica. Al contrario que las redes tradicionales, las redes de sensores llevarn con ms precisin sus tareas dependiendo de lo denso que sea el despliegue y lo coordinadas que estn. En los ltimos aos, las redes de sensores han estado formadas por un pequeo nmero de nodos que estaban conectados por cable a una estacin central de procesado de datos. Hoy en da, sin embargo, nos centramos ms en redes de sensores distribuidas e inalmbricas. Pero, por qu distribuidas e inalmbricas: cuando la localizacin de un fenmeno fsico es desconocida, este modelo permite que los sensores estn mucho ms cerca del evento de lo que estara un nico sensor. Adems, en muchos casos, se requieren muchos sensores para evitar obstculos fsicos que obstruyan o corten la lnea de comunicacin. El medio que va a ser monitorizado no tiene una infraestructura, ni para el suministro energtico, ni para la


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comunicacin. Por ello, es necesario que los nodos funcionen con pequeas fuentes de energa y que se comuniquen por medio de canales inalmbricos. Otro requisito para las redes de sensores ser la capacidad de procesamiento distribuido. Esto es necesario porque, siendo la comunicacin el principal consumidor de energa, un sistema distribuido significar que algunos sensores necesitarn comunicarse a travs de largas distancias, lo que se traducir en mayor consumo. Por ello, es una buena idea el procesar localmente la mayor cantidad de energa, para minimizar el nmero de bits transmitidos. En el Instituto de Robtica, vamos a desarrollar un sistema de programacin en red para redes de sensores inalmbricas que ofrecer las mejores prestaciones posibles. En este trabajo describiremos los aspectos ms generales que conforman una Wireless Sensor Network.

Fig1. En esta imagen de la Web del grupo de trabajo GSIC1 (desarrollada por Csar

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


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TIPOS DE MOTAS

Las Wireless Sensor Networks, tienen una corta historia, a pesar de ello, ya tenemos a varios fabricantes trabajando en esta tecnologa. CROSSBOW: Especializada en el mundo de los sensores, es una empresa que desarrolla plataformas hardware y software que dan soluciones para las redes de sensores inalmbricas. Entre sus productos encontramos las plataformas Mica, Mica2, Micaz, Mica2dot, telos y telosb.

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

Universidad de Berekeley form la compaa Moteiv. Ha desarrollado la plataforma Tmote Sky y Tmote Invent. El tipo de mota Tmote Sky ser detallado en el siguiente punto, dado que es el que se utiliza en el Instituto de Robtica.

SHOCKFISH: Empresa suiza que desarrolla TinyNode. A partir de este tipo de mota en Laussane han llevado un proyecto semejante al nuestro, en el que implementan una red de sensores en todo el campus de la Ecole Polytechnique Fdrale de Lausanne.

Micaz Mica2 Mica2dot Tmote TinyNode Distribuido por Crossbow Moteiv Shockfish Frecuencia reloj 7.37 MHz 4 MHz 8MHz 8MHz RAM 4KB 10K bytes 10K bytes Batera 2 pilas AA Coin cell 2 pilas AA Solar Microcontrolador Atmel Atmega 128L Texas Instruments -

MSP430 microcontroller

Fig2. Tabla comparativa de motas.


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Tmote Sky

Tmote Sky es una plataforma para aplicaciones en redes de sensores de muy bajo consumo y alta recoleccin de datos. Lleva integrados tanto los sensores como la radio, antena y microcontrolador, adems puede ser fcilmente programado.

Las operaciones de baja energa en las Tmote Sky son realizadas gracias al microcontrolador MSP430 F1611. Este procesador RISC de 16 bits consume muy pocas bateras tanto en el estado activo como durante el sueo o hibernacin. Para reducir al mximo este consumo, permanece en modo sueo durante la mayora del tiempo, se despierta tan rpido como puede para procesar, enviar y entonces vuelve a dormirse.

Utiliza un controlador USP de FTDI para comunicarse con el ordenador y maneja una radio Chipcon CC2420, la cual es un estndar IEEE 802.15.4 que provee una fiable comunicacin inalmbrica para WSNs. La radio tiene la posibilidad de enviar datos a muy alta frecuencia. El microcontrolador se comunica con la antena a travs del puerto SPI y puede apagarlo para las operaciones de baja energa.

La antena interna Invertid F micro strip es una antena seudo-omnidireccional que puede alcanzar los 50 metros dentro de un edificio y los 125 en el exterior.

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

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

Las caractersticas esenciales de Tmote Sky son: - Transmisor Chipcon inalmbrico de 250Kbps 2.4GHz IEEE 802.15.4 - Interacta con otros dispositivos IEEE 802.15.4 - Microcontrolador MSP430 Texas Instruments de 8MHz (10Kb de

RAM y 48 Kb de Flash) - ADC, DAC, supervisor de voltaje y controladora DMA integrada - Antena, sensores de humedad, temperatura y luz - Muy bajo consumo - Rpido en despertar del sueo (


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SISTEMAS OPERATIVOS PARA MOTAS

Bertha (pushpin computing platform) Una plataforma de software diseada e implementada para modelar, testear y desplegar una red de sensores distribuida de muchos nodos idnticos. Sus principales funciones se dividen en los siguientes subsistemas:

- Administracin de procesos - Manejo las estructuras de datos - Organizacin de los vecinos - Interfaz de Red

Nut/OS: Es un pequeo sistema operative para aplicaciones en tiempo real, que trabaja con CPUs de 8 bits. Tiene las siguientes funciones:

- Multihilo - Mecanismos de sincronizacin - Administracin de memoria dinmica - Temporizadores asncronos - Puertos serie de Entrada/Salida

Est diseado para procesadores con los siguientes recursos: - 0.5 kBytes RAM - 8 kBytes ROM - velocidad de 1 MIPS CPU

Contiki: Es un Sistema Operativo de libre distribucin para usar en un limitado tipo de computadoras, desde los 8 bits a sistemas embebidos en microcontroladores, incluidas motas de redes inalmbricas.

CORMOS: A Communication Oriented Runtime System for Sensor Networks, especfico para redes de sensores inalmbricas como su nombre indica.

eCos: (embedded Configurable operating system) es un sistema operativo gratuito, en tiempo real, diseado para aplicaciones y sistemas embebidos que slo necesitan un proceso. Se pueden configurar muchas opciones y puede ser personalizado para cumplir cualquier requisito, ofreciendo la mejor ejecucin en tiempo real y minimizando las necesidades de hardware.

EYESOS: se define como un entorno para escritorio basado en Web, permite monitorizar y acceder a un sistema remoto mediante un sencillo buscador.

MagnetOS: es un sistema operativo distribuido para redes de sensores o ad-hoc, cuyo objetivo es ejecutar aplicaciones de red que requieran bajo consumo de energa, adaptativas y fciles de implementar.

MANTIS (MultimodAl NeTworks In-situ Sensors) TinyOS: Sistema Operativo utilizado para TMote Sky, se hablar de l en la

prxima seccin. t-Kernel: es un sistema operativo que acepta las aplicaciones como imgenes

de ejecutables en instrucciones bsicas. Por ello, no importar si est escrito en C++ o lenguaje ensamblador.

LiteOS: Sistema operativo desarrollado en principio para calculadoras, pero que ha sido tambin utilizado para redes de sensores.


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SISTEMA OPERATIVO TINYOS

El sistema operativo TinyOS, como su nombre indica es un reducido ncleo multitarea, til para pequeos dispositivos, tales como las motas. Es un sistema operativo event-driven, quiere decir que funciona a partir de eventos producidos que llamarn a funciones. Ha sido desarrollado para redes de sensores con recursos limitados. El entorno de desarrollo de TinyOS soporta directamente la programacin de diferentes microprocesadores y permite programar cada tipo con un nico identificador para diferenciarlo, o lo que es lo mismo se puede compilar en diferentes plataformas cambiando el atributo.

El sistema Tinyos, sus libreras y aplicaciones, est escrito en nesC, una versin

de C que fue diseada para programar sistemas embebidos. En nesC, los programas estn compuestos por componentes que se enlazan para formar un programa completo.

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

bidireccionales y especifican un conjunto de funciones que estn implementadas bien por los proveedores o bien por los que la utilizan. NesC esperar que el cdigo que va a ser generado cree un programa con un ejecutable que contenga todos los elementos del mismo, as como los manejadores de las interrupciones de programas de ms alto nivel. TinyOS tiene las siguientes caractersticas:

- pequeo ncleo de footprint (huella del ejecutable del SO) de 400bytes entre cdigo y datos

- arquitectura basada en componentes - capas de abstraccin bien establecidas, limitadas claramente a nivel de

interfaces, a la vez que se pueden representar los componentes automticamente a travs de diagramas

- amplios recursos para elaborar aplicaciones - adaptado a los recursos limitados de las motas: energa, procesamiento,

almacenamiento y ancho de banda - operaciones divididas en fases (Split-phase) - dirigido por eventos (Event Driven): reacciona ante sensores y mensajes - concurrencia de tareas y basada en eventos - implementacin en nesC - las interfaces realizan servicios, - interfaces bidireccionales, con comandos y eventos - los comandos los implementa el proveedor - los eventos son implementados por el usuario - Un mdulo implementa una interfaz - Los componentes proveen y usan interfaces (representado en el cdigo por las

etiquetas provide and use) - Una configuracin enlaza las interfaces internas y externas (wire) - Una aplicacin consiste en una configuracin de alto nivel y todos los mdulos

asociados

A continuacin describiremos otros lenguajes de programacin para motas, adems del lenguaje nesc que utiliza TinyOS.


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LENGUAJES DE PROGRAMACIN

La programacin de sensores es complicada, entre otras dificultades est la limitada capacidad de clculo y la cantidad de recursos. Y as como en los sistemas informticos tradicionales encontramos entornos de programacin prcticos y eficientes para depurar cdigo, simular en estos microcontroladores todava no hay herramientas comparables.

Podemos encontrar lenguajes como:

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

- Protothreads: especficamente diseado para la programacin concurrente, provee hilos de dos bytes como base de funcionamiento.

- SNACK: facilita el diseo de componentes para redes de sensores inalmbricas, sobre todo cuando la informacin o clculo a manejar es muy voluminoso, complicado con nesc, este lenguaje hace su programacin ms fcil y eficiente. Luego es un buen sustituto de nesc para crear libreras de alto nivel a combinar con las aplicaciones ms eficientes.

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

- DCL: Lenguaje de composicin distribudo (Distributed Compositional Language)

- galsC: diseado para ser usado en TinyGALS, es un lenguaje programado mediante el modelo orientado a tarea, fcil de depurar, permite concurrencia y es compatible con los mdulos nesc de TinyOS

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


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APLICACIONES DE LAS REDES DE SENSORES

Las redes de sensores tienen una amplia variedad de aplicaciones: - monitorizacin de un hbitat (para determinar la poblacin y

comportamiento de animales y plantas) - monitorizacin del medio ambiente, observacin del suelo o agua - el mantenimiento de ciertas condiciones fsicas (temperatura, luz) - control de parmetros en la agricultura - deteccin de incendios, terremotos o inundaciones - sensorizacin de edificios inteligentes - control de trfico - asistencia militar o civil - control de inventario - control mdico - deteccin acstica - cadenas de montaje, etc. De hecho las redes de sensores inalmbricas (WSN) tienen el potencial de

revolucionar los complejos sistemas de control u observacin, tal y como hoy los entendemos.

Lista de aplicaciones con redes de sensores inalmbricas en el mundo comercial: - XSILOGY Solutions es una compaa que provee WSN para las

siguientes aplicaciones comerciales: organizacin de inventario de tanques, sistemas de distribucin de flujos, edificios comerciales, monitorizacin medioambiental, defensa del hogar, etc. (http://www.xsilogy.com/home/main/index.html )

- ENSCO investiga con WSN para aplicaciones meteorolgicas (http://www.in-q-tel.com/tech/dd.html)

- EMBER provee soluciones con WSN para automatizacin industrial, defensa y edificios inteligentes. (http://www.ember.com)

- H900 Wireless SensorNet System(TM), el primer sistema de enrutamiento de malla inalmbrico para sensores, desarrollado por la compaa Snsicast Systems. Sus aplicaciones van desde la electricidad a la seguridad del hogar (http://www.sensicast.com)

- SOFTLINX desarrolla productos de seguridad perimetral basada en sensores. (http://www.soflinx.com)

- XYZ: Integra redes de sensores inalmbricas pare el control de entornos en el interior de edificios (http://www.cbe.berkeley.edu/research/briefs-wirelessxyz.htm)

- Crossbow desarrolla redes de sensores para monitorizar entornos y otras aplicaciones industriales como puente, estructuras, calidad del aire/comida, auomatizacin industrial (http://www.xbow.com)

- Japan's Omron Corp ha elaborado una red de sensores para naves de carga que provee un sistema de seguridad en los puertos. (http://www.omron.com)

- Otras pginas web son: www.millennial.net, www.dust-inc.com, www.melexis.com, www.chipcon.com, www.zigbee.com.


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PROTOCOLOS DE MAC PARA WSN Un protocolo de MAC tiene que servir de base para protocolos de ms alto nivel, en las redes de sensores, por encima tendramos el protocolo de enrutamiento, que usar las funciones implementadas en la MAC para enviar y recibir paquetes, sincronizar sus operaciones, etc. Las caractersticas esenciales que debe cubrir un protocolo MAC son:

- La flexibilidad, porque el entorno inalmbrico es totalmente cambiante debido a interferencias en el aire de otras ondas, propiedades y formas de los materiales del entorno, y un largo etctera. Adems, los nodos pueden fallar en cualquier momento, teniendo que buscar nuevos caminos, reconfigurando la red y recalibrando los parmetros. El trfico puede incrementarse, ya que la informacin requerida tambin puede crecer.

- Eficiencia, un protocolo de MAC debe ser eficiente para poder trabajar en tiempo real, debe ser fiable y robusto ante las interferencias. Tolerante a los ruidos. Adems debe estar profundamente integrado con el medio donde va a trabajar, a su vez que debe ser un software barato y con funciones que cubran las necesidades ms amplias del mercado.

Estos protocolos afectan directamente a la disipacin de la energa, ya que son la capa ms prxima al nivel fsico, tambin determinar, en parte, el coste del sistema. As como sern clave a la hora de especificar la latencia y el nivel de seguridad del sistema.

En las redes de sensores estos protocolos determinan los canales de radio a utilizar, implementan las transmisiones y recepciones a bajo nivel, adems de controlar los errores.

Las funciones de un protocolo de MAC son controlar el acceso al medio compartido, que en este caso ser un canal de radio (a travs del aire). El protocolo debe evitar las interferencias entre transmisiones, mitigando el efecto de las colisiones, mediante retransmisiones

Tenemos varias aproximaciones: - Basadas en contencin, sin coordinacin. - Basadas en planificacin, con un nodo central o punto de acceso, encargado de

sincronizar al resto. - Divisin en frecuencia y divisin en cdigo, tambin son dos aproximaciones

pero no se utilizan prcticamente en las redes inalmbricas de sensores.

Los protocolos de control de acceso al medio (MAC) han sido estudiados durante dcadas, los diseos varan mucho segn el objetivo de la aplicacin. Pueden ser clasificados en categoras basadas en diferentes principios; algunos son centralizados, con una estacin central como lder del grupo haciendo el control de acceso, otras son distribuidas. Algunas usan un nico canal, otras varios. Algunas usan diferentes versiones de acceso aleatorio; otras usan reserva de canal y planificacin. Los protocolos estn optimizados para diferentes causas: energa, retardo, tasa de transferencia, equidad, calidad de servicio (QoS) o soportar mltiples servicios.

Cada tipo de red necesitar un protocolo diferente. Por ejemplo, las redes donde los eventos se producen de forma peridica necesitan protocolos que usen reserva y planificacin del tiempo. Tendrn una mejor utilizacin del canal, y tendrn un mayor tiempo de vida. Por el contrario, para las redes de sensores con eventos asncronos la MAC ha de ser distribuida y optimizada para la energa. Un mtodo distribuido usando


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mltiples canales y acceso aleatorio sera lo ms indicado para estas redes, se evitara el tener un nico punto de fallo, mltiples canales reducen las colisiones y retransmisiones, adems del retraso, adems incrementa la tasa de transferencia. El acceso aleatorio evita al nodo conocer la red, en este caso no es necesaria la sincronizacin.

CLASIFICACIN DE PROTOCOLOS MAC

Existen gran variedad de protocolos, que fueron desarrollados con anterioridad para otros tipos de redes, y que ahora han sido implementados sobre redes inalmbricas de sensores. Adems, diversos grupos de trabajo han creado otros protocolos ad hoc para este tipo especfico de redes, lo que nos da un amplia gama de protocolos, que se enumeran a continuacin segn su tipo Protocolos de Acceso Mltiple por Deteccin de Portadora (CSMA. Carrier Sense Multiple Access) o ranurados: Sensor MAC (S-MAC) 802.15.4 Timeout MAC (T-MAC) Berkeley-MAC (B-MAC) Power-Aware Multi-access protocol with signaling (PAMAS)

Protocolos de Acceso multiplexado por divisin de tiempo (TDMA. Time Division Multiplex Access): Traffic-Adaptive MAC (TRAMA) Low-Energy Adaptive Clustering Heirarchy(LEACH) Power Aware Clustered TDMA (PACT) Bit-Map Assisted (BMA) Proposed Gateway MAC (G-MAC) SPRIME (SupSlot Period Reservation & Inter-Master Estimation) SMACS (Self-Organized MAC for Sensor networks)

Otros: DMAC (Dynamic Topology MAC) CMAC (Spatial Correlation-based Collaborative) DSMAC (Dynamic Duty Cycle for WSN) SmartNode (*send with same power as received) STEM (Sparse Topology and Energy Management) DPSM (Dynamic Power Saving Mechanism) MACA (MultiAccess Collision Avoidance) ZMAC (Hybrid MAC for WSN )


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ELECCIN DEL PROTOCOLO MAC

Para elegir un buen protocolo MAC, debemos tener en cuenta: - su escalabilidad, porque las redes de sensores son por definicin dinmicas, y el

aadir nodos es totalmente normal, luego debe estar preparado para trabajar con diferente nmero de nodos

- debe ser posible el predecir los retrasos, los protocolos implementarn un mecanismo que evite tener que preocuparse del correcto funcionamiento en funcin de la disposicin de los nodos, proximidad, calidad del canal

- Adaptabilidad a los cambios mencionados anteriormente - Eficientes a la hora de gestionar la energa, como principal desafo de las redes

de sensores, la cantidad de energa utilizada en el envo, recepcin de paquetes en las redes inalmbricas es esencial, ya que a menor energa utilizada mayor tiempo de vida para la red

- Fiables, evitando los bloqueos, la prdida de paquetes, la desaparicin de nodos y respondiendo a interferencias o ataques externos a la red

En relacin al penltimo punto, varios protocolos MAC han sido desarrollados

para enfrentarse al agotamiento de las bateras. S-MAC, por ejemplo, divide la estructura de envo, recepcin de mensaje en perodos de escucha y sueo (durante el sueo el sensor usa el mnimo de energa). El perodo de escucha esta dividido en un perodo de sincronizacin y otro de transferencia de datos. La sincronizacin permite a los nodos anunciar peridicamente su planificacin de tiempos, corrigiendo as los desplazamientos temporales propios de un sistema impreciso. Adems, permite a la red sincronizar los perodos de sueo de los nodos, formando as un conjunto virtual de nodos que activan al mismo tiempo los perodos de escucha y sueo. El T-MAC (Timeout MAC) es similar al S-MAC, pero con un perodo de escucha adaptativo basado en el trfico de la red. Con T-MAC, los nodos pueden ir directamente a la fase de sueo tan pronto como el trfico de la red se termine.

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

MAC que consuma lo mnimo para una red de sensores inalmbrica:

1- Las colisiones deben ser evitadas siempre que sea posible, ya que la retransmisin produce un innecesario consumo de energa y adems posibles retrasos asociados. Por otro lado el evitar las colisiones puede producir una sobrecara sustancial a la red, lo que consuma mayor energa. Un punto clave es encontrar la solucin ptima.

2- A su vez, la transmisin de sobrecarga en el protocolo debe ser reducida tanto como sea posible, lo que incluye los paquetes dedicados al control de la red y los bits de cabecera de los paquetes de datos. Encontramos esto extremamente importante para redes como la nuestra, con sensores Tmote, en la que el trfico es lento y los paquetes son normalmente cortos.

3- En los sistemas inalmbricos tpicos, el receptor ha de ser encendido siempre, resultando un consumo de energa significativo. Otra vez, esto es ms importante en una radio de corto alcance que en un sistema inalmbrico tpico, como una red de computadores o telefona mvil, ya que un gran porcentaje de la energa consumida ocurre cuando la radio est encendida. La situacin ideal sera cuando la radio slo se enciende cuando necesita enviar o recibir paquetes, y minimizar los esfuerzos de monitorizacin.


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4- Hay puntos fundamentales en el diseo de sistemas inalmbrico entre estos parmetros: eficiencia del uso de ancho de banda, retraso, calidad del canal o VER, y consumo de energa.

5- El ltimo, pero no menos importante principio es la capacidad de adaptacin y movilidad. Para un sistema de gran escala con movilidad limitada, necesitamos un algoritmo adaptativo que funcione con el mnimo sobrecoste posible. A continuacin se describen dos protocolos MAC para redes de sensores

inalmbricas.

EJEMPLOS DE PROTOCOLOS MAC

S-MAC Sensor MAC es el primer protocolo de la capa MAC desarrollado para redes de

sensores, y ha tenido, como era de esperar, muy en cuenta las limitaciones de energa. La principal idea del S-MAC es ahorrar energa encendiendo y apagando peridicamente las radios de los nodos, apareciendo el trmino de ciclo de trabajo, en lugar de tener las radios siempre escuchando posibles transmisiones.

Fig4. La imagen de arriba muestra la idea bsica de S-MAC. Los nodos slo pueden

recibir mensajes en la fase de escucha. Durmiendo el resto del tiempo, los sensores

ahorrarn energa. Los nodos tambin pueden dormir cuando se detecta una

transmisin que se dirige a otro nodo.

Este hecho hace que el protocolo sea eficiente energticamente para baja tasa de envo y alta latencia, ya que los receptores duermen durante bastante tiempo. Para trabajar de esta manera, S-MAC requiere sincronizacin. Los nodos vecinos se intercambiarn mensajes de sincronizacin peridicamente (SYNC). Las marcas de tiempo intercambiadas con este SYNC son relativas, en cuanto a que una mota dir: voy a dormir tres segundos en lugar de son las 3:00, a las 3:03 despertar. Para evitar el problema de la terminal escondida, S-MAC usa RTS-CTS (Request to Send/Clear to Send). A travs del paso de mensajes, un nodo puede transmitir un conjunto de paquetes, usando un nico RTS/CTS para negociar (handshake). Todo paquete debe ser, por tanto, reconocido, y todo paquete describe la duracin de la transmisin del paquete actual, determinar cuando un nodo puede dormir. La escucha adaptativa, puede usarse, as el siguiente salto potencial, puede despertar en el momento de recibir las posibles transmisiones.


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T-MAC

Timeout MAC, es un protocolo que intenta mejorar al anterior S-MAC, teniendo tiempos de trabajo (duty cycles) de diferente longitud. La idea es enviar mensajes en rfagas al principio de este tiempo de trabajo y volver a dormir, tan pronto como no haya ms mensajes para ser enviados o recibidos. Los nodos esperarn por un periodo muy corto de tiempo.

Fig5. Comparativa SMAC y TMAC

La nica diferencia, como podemos observar es que el nodo se duerme ms pronto, tan pronto como detecta que no hay ms comunicacin que hacer. La sincronizacin, RTS-CTS y los sistemas de acuse de recibo son similares a S-MAC. El dibujo de arriba muestra la comparacin de S-MAC y T-MAC, T-MAC ahorra energa porque duerme ms cantidad de tiempo.

Un problema se ha identificado en este protocolo en las redes multihop. Es

llamado el early sleeping o problema de sueo temprano, ocurre cuando hay contencin. Supongamos cuatro nodos A, B, C y D en una red multihop. Supongamos que A est enviando un mensaje a B, y C necesita enviar un mensaje a D pero est en el radio de comunicacin de B. En este caso, C no puede enviar un RTS a D, de otra manera causara una colisin con B. Mientras D est fuera del rango de A y B, no detectar actividad y se va a dormir, incluso cuando C tiene un mensaje para l. El mismo problema ocurre otra vez en el siguiente ciclo de trabajo, siempre y cuando A o B obtengan el acceso al canal antes de C. Los desarrolladores de T-MAC ofrecen algunas soluciones al problema, pero incluso con estas soluciones, la capacidad de enva/recepcin mxima del protocolo se ve comprometida, cuando la comparamos con esta misma capacidad sobre S-MAC.


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PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO PARA WSN INTRODUCCIN

Los nodos no tienen un conocimiento de la topologa de la red, deben descubrirla. La idea bsica es que cuando un nuevo nodo, al aparecer en una red, anuncia su presencia y escucha los anuncios broadcast de sus vecinos. El nodo se informa acerca de los nuevos nodos a su alcance y de la manera de enrutarse a travs de ellos, a su vez, puede anunciar al resto de nodos que pueden ser accedidos desde l. Transcurrido un tiempo, cada nodo sabr que nodos tiene alrededor y una o ms formas de alcanzarlos.

Los algoritmos de enrutamiento en redes de sensores inalmbricas tienen que cumplir las siguientes normas:

- mantener una tabla de enrutamiento razonablemente pequea - elegir la mejor ruta para un destino dado (ya sea el ms rpido, confiable, de

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

posicin o su aparicin - requerir una pequea cantidad de mensajes y tiempo para converger

MODELOS DE ENRUTAMIENTO Modelo de un salto

Este es el modelo ms simple y representa la comunicacin directa. Todos los nodos en la red transmiten a la estacin base. Es un modelo caro en trminos de consumo energtico, as como inviable porque los nodos tienen un rango de transmisin limitado. Sus transmisiones no pueden siempre alcanzar la estacin base, tienen una distancia mxima de radio, por ello la comunicacin directa no es una buena solucin para las redes inalmbricas. Modelo Multi-hop

En este modelo, un nodo transmite a la estacin base reenviando sus datos a uno de sus vecinos, el cual est ms prximo a la estacin base, a la vez que este enviar a otro nodo ms prximo hasta que llegue a la mota base. Entonces la informacin viaja de la fuente al destino salto a salto desde un nodo a otro hasta que llega al destino. En vista de las limitaciones de los sensores, es una aproximacin viable. Un gran nmero de protocolos utilizan este modelo, entre ellos todos los MultiHop de Tmote Sky y Telos: MultiHop LQI, MintRoute, Router, etc. ste modelo ser el utilizado en nuestra red, ya que dado el nmero de nodos, el tipo de sensores y el software del que disponemos, hacen del modelo MultiHop una solucin ptima.


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

envan sus datos ha ella con una profundidad mxima de 4 saltos (hops) para las motas

1 y 6. Es el modelo usado por nuestro grupo de trabajo.

Modelo esquemtico basado en clsteres

Algunos otros protocolos usan tcnicas de optimizacin para mejorar la eficacia del modelo anterior. Una de ellas es la agregacin de datos usada en todos los protocolos de enrutamiento basados en clsteres. Una aproximacin esquemtica rompe la red en capas de clsteres. Los nodos se agruparn en clsteres con una cabeza, la responsable de enlutar desde ese clster a las cabezas de otros clsteres o la estacin base. Los datos viajan desde un clster de capa inferior a uno de capa superior. Aunque, salta de uno a otro, lo est haciendo de una capa a otra, por lo que cubre mayores distancias. Esto hace que, adems, los datos se transfieran ms rpido a la estacin base. Tericamente, la latencia en este modelo es mucho menor que en la de MultiHop. El crear clsteres provee una capacidad inherente de optimizacin en las cabezas de clster. Por tanto, este modelo ser mejor que los anteriores para redes con gran cantidad de nodos en un espacio amplio (del orden de miles de sensores y cientos de metros de distancia).


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BIBLIOGRAFA

1. GSIC. Grupo de Sistemas de Informacin y Comunicacin, en el Instituto de Robtica. Web: http://147.156.223.19/home.php

2. Wireless Sensor Networks. F. L. LEWIS. Smart Environments: Technologies, Protocols, and Applications Ed. D.J. Cook and S.K. Das, John Wiley, New York, 2004. Web: http://arri.uta.edu/acs/networks/WirelessSensorNetChap04.pdf

3. Sensor Networks: An Overview. Archana Bharathidasan, Vijay Anand Sai Ponduru. Web: http://wwwcsif.cs.ucdavis.edu/~bharathi/sensor/survey.pdf 4. TINYOS. An Operative System for Wireless Sensor Networks. Mark Weiss. University of Nebraska, Lincoln. Diciembre del 2003. Web: http://csce.unl.edu/~witty/f2004/csce489/WSN-20031201.pdf 5. Pgina web de Moteiv: http://www.moteiv.com/ 6. Pgina web de TinyOS: http://www.tinyos.net/ 7. Networking Issues in Wireless Sensor Networks. Deepak Ganesan, Alberto Cerpa. Web: http://www.isi.edu/~weiye/pub/jpdc.pdf

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