Trabajo de investigación oscar ortiz

Caracterización de calidad de servicio en redes inalámbricas de sensores

Alumno de doctorado: Óscar Ortiz Ortiz. Profesor director: Ana Belén García Hernando

José Fernán Martínez Ortega

Caracterización de calidad de servicio en redes inalámbricas de sensores

INDICE DE CONTENIDOS

1.- INTRODUCCION A LAS REDES INALAMBRICAS DE SENSORES............................... 1

2.- CONCEPTOS GENERALES SOBRE CALIDAD DE SERVICIO........................................ 5

3.- LA CALIDAD DE SERVICIO EN REDES INALAMBRICAS DE SENSORES

3.1.- Introducción...................................................................................................................... 11

3.2.- Arquitectura y diseño de una red inalámbrica de sensores.............................................. 13

4.- PROPUESTAS PARA PROPORCIONAR CALIDAD DE SERVICIO EN REDES

INALAMBRICAS DE SENSORES

4.1.- Introducción...................................................................................................................... 28

4.2.- Protocolos MAC............................................................................................................... 28

4.3.- Protocolos de Encaminamiento........................................................................................ 36

4.3.1.- Protocolos basados en la estructura de la red....................................................... 38

4.3.2.- Protocolos basados en el criterio de encaminamiento ......................................... 50

4.4.- Protocolos de Transporte.................................................................................................. 56

5.- APLICACIONES CON REQUISITOS DE CALIDAD DE SERVICIO............................... 60

6.- PROPUESTA DE ENCAMINAMIENTO EN UNA RED INALAMBRICA DE

SENSORES ............................................................................................................................ 63

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.......................................................................................... 71

Introducción

O.Ortiz - 1 -

1.- INTRODUCCION A LAS REDES INALAMBRICAS DE SENSORES

Uno de los principales objetivos de las redes inalámbricas especializadas (ad hoc) es

el poder permitir a un grupo de nodos de la red la posibilidad de autoconfigurarse y mantener

la red de forma autónoma sin ninguna intromisión de un controlador central o algo similar.

Debido a esto, este tipo de redes pueden resultar útiles en situaciones donde se requiera

ofrecer rapidez en la respuesta a un determinado evento sobre escenarios en los que no se pueda

contar con una infraestructura de red fija, bien porque no exista (aplicaciones militares en

entornos de guerra, aplicaciones de teleasistencia médica en el hogar, etc.,) o bien porque esté

temporalmente fuera de servicio (atentados con el del 11 de Septiembre en Nueva York o el del

11 de Marzo en Madrid).

Un subconjunto importante dentro de este tipo de redes son las redes inalámbricas de

sensores. La peculiaridad de estas redes es la de proporcionar datos gestionables por equipos

informáticos a partir de la captación de parámetros distribuidos sobre el entorno físico. Están

formadas por un gran número de nodos sensores, también llamados motas, que integran, en su

forma básica, un sensor, memoria, procesador, electrónica de comunicaciones por radio y una

fuente de energía (por ejemplo, una batería).

Figura 1: Diagrama de bloques de un nodo sensor básico

Sensor Conversor A/D

Unidad de Captación

Procesador Memoria

Unidad de Procesado

Electrónica de comunicaciones

Transceptor (antena)

Unidad de Transmisión

Fuente de Energía (Batería)

Introducción

O.Ortiz - 2 -

La falta de infraestructura en este tipo de redes, hace que cada nodo se configure, se

gestione y se controle de forma autónoma, jugando los roles adicionales de encaminador y

redirector de datos.

Precisamente, son estas tareas añadidas a los nodos, las que complican el diseño de

protocolos en este tipo de redes, haciendo que arquitecturas de comunicaciones clásicas

estratificadas en niveles funcionales claramente diferenciados (estilo OSI), no resulten las

más adecuadas para las redes inalámbricas de sensores.

Las arquitecturas de comunicaciones estratificadas en niveles sacrifican eficiencia por

generalidad, dado que la transparencia que un nivel ofrece a los otros hace que la cooperación

entre ellos sea inviable. Sin embargo, uno de los parámetros de diseño críticos en las redes

inalámbricas de sensores es la eficiencia energética, y éste es un aspecto nuevo que trasciende

a los niveles de protocolos tradicionales.

Las estrategias que se adopten para acceder al medio físico (protocolos MAC) afectan

directamente al consumo de energía, por ejemplo a través de las colisiones. Igualmente, con

las estrategias que sigan los niveles de encaminamiento y transporte. Si estos tres niveles

clásicos pudieran cooperar se podría optimizar el comportamiento de la red, en cuanto a

eficiencia energética se refiere, por ejemplo, si todos los niveles de la arquitectura estuvieran

al corriente en todo momento del remanente de energía de la que dispone el nodo, podrían

ajustar sus configuraciones con el fin de optimizar este recurso.

Esta reflexión pone de manifiesto la necesidad de tender hacia modelos arquitecturales

inter-capa o inter-nivel, en los haya una cooperación entre los distintos niveles de protocolos

con el fin de optimizar el rendimiento de la red y, por ende, la calidad en los servicios que

ofrece.

En la siguiente figura se muestra un ejemplo de arquitectura inter-capa, concretamente

la arquitectura Mobileman [Conti2004]. (©2004 IEEE), comparado con el modelo clásico.

Introducción

O.Ortiz - 3 -

Figura 2: Arquitectura clásica vs. Arquitectura inter-capa

En estos nuevos modelos de arquitecturas, conceptos como la latencia, el rendimiento,

la sobrecarga, el retardo o la variación de éste, han de marcar las investigaciones en este área,

de forma que las aplicaciones en tiempo real en las que, por ejemplo, se requiera la

transmisión de audio y video, funcionen de una manera eficiente.

El estudio de todos estos parámetros que hacen que los nodos de una red se usen de

manera eficiente con el fin de obtener medidas del entorno de forma efectiva, es lo que se

engloba de forma genérica bajo el epígrafe de Calidad de Servicio (QoS).

El presente trabajo pretende ser un estudio general sobre los requisitos básicos que

deben proporcionar los protocolos con capacidad para ofrecer QoS dentro del marco de las

redes inalámbricas de sensores.

Las áreas finales de aplicación de este tipo de redes requerirán, de una u otra forma,

usar protocolos energéticamente eficientes y con capacidades para proporcionar QoS.

Physical

Data Link

Network

Transport

Middleware

Application

MAC and Physical

Network

Transport

Middleware

Application

Network

Status

Sec

urity

and

coop

erat

ion

Ene

rgy

man

agem

ent

Physical

Data Link

Network

Transport

Middleware

Application

Physical

Data Link

Network

Transport

Middleware

Application

MAC and Physical

Network

Transport

Middleware

Application

Network

Status

Network

Status

Sec

urity

and

coop

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ion

Sec

urity

and

coop

erat

ion

Ene

rgy

man

agem

ent

Ene

rgy

man

agem

ent

Introducción

O.Ortiz - 4 -

Algunas de estas áreas pueden ser:

• Control medioambiental y mapeado de biodiversidad

• Edificios inteligentes.

• Gestión de catástrofes.

• Control de acceso a recintos y vigilancia.

• Medicina y salud.

• Teleasistencia.

Habrá aplicaciones en las que recibir los datos de forma fiable y en tiempo real sea

básico, como por ejemplo en el área de medicina y salud, y otras en las que prevalecerán la

fiabilidad de los datos sobre otros parámetros, como por ejemplo en el área de control de

acceso a recintos y vigilancia.

Para tener una visión más general de este tipo de redes, hay que tener en cuenta que,

además de la calidad de servicio, hay otra serie de características que la mayoría de las

aplicaciones comparten, tales como tolerancia a fallos, tiempo de vida de la red, escalabilidad

programabilidad o mantenibilidad.

Todas estas características hacen que las redes inalámbricas de sensores sean un caso

especial dentro de las redes inalámbricas, y que obligan a buscar mecanismos específicos para

poderlas ofrecer, como por ejemplo:

• Nuevas arquitecturas de comunicaciones inter-capa.

• Comunicaciones multisalto de nodo a nodo.

• Operaciones energéticamente eficientes.

• Autoconfiguración de forma autónoma.

• Colaboración entre nodos y procesado de datos dentro de la propia red.

• Funcionamiento centrado en la información (data centric) en vez de en su

procedencia (address centric).

Conceptos generales sobre Calidad de Servicio

O.Ortiz - 5 -

2.- CONCEPTOS GENERALES SOBRE CALIDAD DE SERVICIO

El término “Calidad de Servicio” tiene una amplia variedad de significados

dependiendo de la perspectiva de la que se trate. Por ejemplo, desde el punto de vista de una

aplicación o de un usuario final, la Calidad de Servicio será la que dicho usuario o aplicación

aprecie en un momento dado (e.j. “esta aplicación funciona muy bien”), sin preocuparse de

qué mecanismos concretos han sido necesarios para que “la aplicación funcione bien”. Sin

embargo desde el punto de vista de la red, la Calidad de Servicio puede ser una medida de la

calidad, en términos de parámetros o recursos óptimos, que la red ofrece al usuario o a la

aplicación.

Estas dos formas de ver la Calidad de Servicio se muestran en la siguiente figura:

Figura 3: Perspectivas de la calidad de servicio

Algunos organismos internacionales de normalización han dado diversas definiciones

del concepto “Calidad de Servicio”:

• Según la RFC-2386, la Calidad de Servicio se caracteriza como “un conjunto

de requisitos de servicio que se deben cumplir en el transporte de un flujo de

paquetes desde el origen a su destino”.

Aplicaciones / Usuarios

Red

Soporte de

QoS

Requisitos de

QoS


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• Según el estándar X.902 de la Unión Internacional de Telecomunicación (ITU)

la Calidad de Servicio es “Un conjunto de requisitos de calidad que

condicionan el comportamiento colectivo de uno o varios objetos”.

• El ATM Lexicon define la Calidad de Servicio como “Un termino que se

refiere a un conjunto de parámetros de rendimiento de ATM que caracterizan

el tráfico de una conexión virtual determinada”.

• En la RFC-1946 de la Internet Engineering Task Force (IETF) se establece que

“El surgimiento de la demanda de servicios de red de tiempo real ha hecho

necesario que la redes compartidas proporcionen unos servicios de entrega

deterministas. Estos servicios de entrega deterministas exigen que tanto la

aplicación origen como la infraestructura de red tengan capacidades de

petición, establecimiento, y aseguramiento de la entrega de datos.

Colectivamente estos servicios se refieren a la reserva de ancho de banda y

Calidad de Servicio”.

Según ha aparecido en alguna de las definiciones anteriores, un “flujo de paquetes” es

un conjunto de paquetes que van desde un origen a un destino, bien siguiendo todos la misma

ruta o bien por rutas diferentes, según se trate de un servicio orientado o no orientado a la

conexión. Cada flujo de paquetes tendrá una necesidades concretas de Calidad de Servicio,

que se podrán caracterizar por los siguientes parámetros:

1. Fiabilidad.

2. Retardo.

3. Fluctuación de Retardo (jitter).

4. Ancho de banda.

No hay una metodología concreta a seguir que nos proporcione una Calidad de Servicio

óptima para cada una de las aplicaciones, maximizando los parámetros anteriores. Más bien

hay una serie de métodos que se han venido usando a lo largo del tiempo y que combinan

diversas técnicas para conseguir una Calidad de Servicio adecuada.


O.Ortiz - 7 -

Alguna de estas técnicas se describe brevemente a continuación:

• Aprovisionamiento: Proporcionar suficiente capacidad de encaminamiento,

almacenamiento en buffer y ancho de banda para que los flujos de paquetes se

transmitan con facilidad. Es la solución más fácil, pero también la más cara, lo

que hace que no sea factible para la mayoría de las aplicaciones.

• Almacenamiento en buffer: Los flujos de paquetes pueden almacenarse en un

buffer del receptor, antes de que se entreguen a las aplicaciones finales. Esto no

afecta a la fiabilidad o al ancho de banda, puesto que los paquetes ya están en el

receptor, pero evidentemente incrementa el retardo. La ventaja de esta técnica es

que minimiza el jitter causado por congestiones en la red, por pérdidas de

sincronización o simplemente debido a las distintas rutas que hayan usado los

paquetes para llegar a su destino. Este parámetro es clave para aplicaciones que

requieran tiempo real, tales como audio o video bajo demanda o voz sobre IP

(VoIP).

• Modelado de tráfico: La técnica anterior no siempre es posible, por ejemplo en

aplicaciones de videoconferencia. Para ofrecer Calidad de Servicio a estas

aplicaciones, es necesario que el servidor (transmisor) ofrezca una tasa de

tráfico constante, es decir, que el tráfico se modere desde el transmisor y no

desde el receptor. Con esta técnica se consiguen dos cosas:

§ Se fuerza al tráfico entrante en la red a estructurarse según un

patrón de flujo específico.

§ Se supervisa dicho flujo se tráfico (traffic policing) para saber si

se ajusta en todo momento al patrón fijado.

El modelado de tráfico reduce la congestión en la red, parámetro crucial para las

aplicaciones en tiempo real.

Algunas técnicas simples de modelado de tráfico son: la técnica de cubeta con

goteo (leaky bucket) o su variante, la técnica de cubeta de tokens (token bucket).


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• Reserva de recursos: El uso efectivo de la técnica anterior implica de alguna

forma a obligar a que los paquetes pertenecientes a un flujo de datos sigan todos

la misma ruta, como si de un circuito virtual se tratase, ya que el envío a través

de encaminadores aleatorios dificulta la garantía de Calidad de Servicio.

Cuando un flujo de paquetes sigue una ruta específica, es posible reservar

recursos para él a lo largo de esa ruta y asegurarse así la capacidad necesaria

requerida. Se pueden reservar tres tipos de recursos:

§ Ancho de banda, para no sobrecargar ninguna línea de salida del

encaminador.

§ Espacio de buffer, para que el encaminador no descarte en

paquete por no poderlo almacenar antes de retransmitirlo.

§ Ciclos de CPU suficientes para que el encaminador sea capaz de

procesar el paquete en un tiempo determinado.

• Control de admisión: Aplicando adecuadamente las técnicas anteriores,

tendríamos un tráfico entrante, perteneciente a algún flujo de paquetes, bien

modelado, que seguiría una única ruta y con la posibilidad de ir reservando

recursos en los encaminadores intermedios. Cuando un flujo de estas

características llega a un encaminador, éste tiene que decidir si lo acepta (lo

admite) o lo rechaza, en base a su capacidad y a las reservas ya realizadas por

otros flujos.

Tomar esta decisión es complicado. Las aplicaciones deberían describir sus

flujos de una forma más exacta, ya que algunas aplicaciones pueden ser más

tolerantes que otras frente a incumplimientos de sus parámetros de calidad o

simplemente, algunas pueden estar dispuestas a negociarlos y otras no.

Normalmente, la aplicación genera una especificación de flujo que contiene los

parámetros de calidad que le gustaría utilizar. Conforme la especificación se

propague por la ruta, los encaminadores intermedios irán modificando los


O.Ortiz - 9 -

valores de los parámetros en base a su capacidad (siempre que sean valores que

signifiquen reducir el flujo), hasta que llega al otro extremo, momento en el que

se establecen los parámetros.

• Encaminamiento proporcional: Muchos de los algoritmos de encaminamiento

tienen como objetivo encontrar la mejor ruta hacia un destino y enviar a través

de ella todo el tráfico dirigido a él. Un sistema distinto de encaminamiento que

se ha propuesto para proporcionar una calidad de servicio más alta es dividir el

tráfico para un determinado destino a través de diversas rutas. Puesto que

generalmente los encaminadores no tienen un panorama completo del tráfico de

toda la red, la única forma factible de dividir el tráfico a través de múltiples

rutas es utilizar la información disponible localmente. Una forma simple de

realizar esto es dividir el tráfico en partes iguales o en proporción a la capacidad

de los enlaces salientes. Sin embargo, hay disponibles otros algoritmos más

refinados como el presentado en [Nelakuditi2002].

• Planificación de paquetes: Un encaminador que maneje varios flujos

simultáneamente no debería procesar los paquetes según el orden de llegada

(encolamiento FIFO), ya que si una fuente emite paquetes de forma masiva

monopoliza los recursos del encaminador en detrimento de la calidad de servicio

de los otros flujos. Para evitar esta situación, se han diseñado varios algoritmos

de planificación de paquetes:

§ Encolamiento justo (fair queueing): Intenta evitar la

monopolización del ancho de banda derivado de la situación

anterior. Para ello, en vez de usar una cola para todos los flujos,

usa varias colas separadas para cada línea de salida, una por

flujo. Por el puerto de salida se enviará un paquete de cada flujo

de forma circular (round robin). El problema de este algoritmo, a


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parte de necesitar mucha potencia de procesador para clasificar

los paquetes y gestionar las colas, es que debido a la política de

salida en round robin de los paquetes, los flujos que tengan los

paquetes de mayor tamaño obtendrán más ancho de banda que

los flujos que los tengan de menor tamaño. Para solucionar esto,

la exploración de las colas de salida se debería hacer byte a byte,

en lugar de paquete a paquete, con lo que todos los flujos

obtendrían la misma prioridad. Esto puede resultar un

inconveniente en algunas ocasiones, ya que nos podría interesar

en un momento dado dar más prioridad a un flujo procedente de

un servidor de video que a uno procedente de un servidor de

archivos. El siguiente algoritmo soluciona estas situaciones.

§ Encolamiento justo ponderado (weighted fair queueing): Mejora

el rendimiento de los flujos de paquetes pequeños (flujos de

video) frente a los flujos de paquetes grandes (transferencia de

archivos) y evita la monopolización del ancho de banda por un

solo flujo. Este algoritmo de encolamiento proporciona las

garantías de latencia necesarias para el tráfico de tiempo real y

multimedia sin afectar demasiado la latencia de los paquetes

grandes.

Todos estos métodos y técnicas presentados se usan normalmente en los modelos de

servicio de red tradicionales, tales como el Modelo de Servicios Integrados del IETF

(IntServ), el Modelo de Servicios Diferenciados del IETF (DiffServ), el Modelo de Servicio

del ATM Forum o el Modelo de Servicio para Redes Inalámbricas, entre otros. Sin embargo,

para las redes inalámbricas de sensores se han de tener en cuenta otros parámetros que

inciden directamente en la Calidad de Servicio que ofrecen estas redes.

La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores

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3.- LA CALIDAD DE SERVICIO EN REDES INALAMBRICAS DE SENSORES

3.1.- Introducción

La particularidad de las redes inalámbricas de sensores frente a otro tipo de redes

inalámbricas es que deben interactuar con su entorno, esto hace que, aunque encuentren las

mismas limitaciones sobre la calidad de servicio que otras redes convencionales, tengan las

suyas propias. Algunas de estas limitaciones a las que una red inalámbrica de sensores tiene

que hacer frente para poder proporcionar una determinada calidad de servicio se describen a

continuación:

• Alta restricción de recursos en los nodos: Recursos como el ancho de banda,

la memoria, el tamaño de los buffers, la capacidad de procesamiento, la potencia

de transmisión y sobre todo la energía están muy limitados en los nodos,

haciendo que cualquier mecanismo de calidad de servicio que se implemente en

estas redes ha de ser simple.

§ Limitación de ancho de banda: Se debe encontrar un

compromiso entre el ancho de banda que se dedica a tráfico de

tiempo real, con limitaciones de calidad de servicio, y el que se

dedica a tráfico genérico.

§ Energía y balance de retardos: Para optimizar la potencia de

transmisión en la interfaz radio, el encaminamiento de paquetes

se debe hacer salto a salto entre los nodos (encaminamiento

multi-salto), ya que la energía consumida es proporcional a la

distancia que se pretende alcanzar. Lógicamente, este tipo de

encaminamiento incrementa el retardo total, siendo éste

proporcional al número de saltos. Por lo tanto, en este aspecto,

también se ha de encontrar un compromiso entre la energía

consumida y el retardo permitido.


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§ Límite del tamaño de buffer: El encaminamiento multi-salto se

basa en el almacenamiento y reenvío (store and forward) de

paquetes en los nodos intermedios. El cambio que tiene que

realizar el nodo entre los modos transmisión/recepción en su

interfaz consume una cantidad de energía nada despreciable

[Min2001], por lo que poder contar con un buffer suficiente para

almacenar varios paquetes antes de retransmitirlos puede mejorar

bastante en consumo de energía. Nuevamente, se ha de encontrar

un compromiso entre el consumo energético y el tamaño de

buffer del que dotamos al nodo.

Como podemos observar, siempre nos encontraremos en el dilema de tener que

decidir entre mejorar o empeorar unos parámetros u otros, en base a los criterios

de calidad de servicio que quiera ofrecer la red.

• Tráfico no balanceado: No todos los nodos soportan y tratan la misma cantidad

de tráfico. Normalmente habrá una gran cantidad de nodos genéricos enviando

tráfico hacia un conjunto reducido de nodos, llamados nodos sumidero.

• Redundancia de datos: En este tipo de redes se observa que muchos de los

datos que se transmiten por ellas son redundantes o prácticamente iguales, cosa

que da fiabilidad y robustez a la red, pero que produce en muchas ocasiones un

gasto innecesario de energía. Para minimizar este efecto se usan técnicas de

agregación selectiva de datos en los nodos de una cierta área, ya que la

probabilidad de que esos datos sean similares es muy alta. Con esta técnica,

aunque complica computacionalmente el nodo, y por ende, energéticamente,

permite mantener la robustez de la red y decrementar la redundancia en los

datos. Sin embargo, a efectos de mantener la calidad de servicio, se ha de tener

en cuenta que este tipo de técnicas aumentaran la latencia.


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• Dinámicas en la red, debido a fallos en los nodos, en los enlaces, etc.

• Balance de energía entre todos los nodos de la red, de forma que la energía de

un nodo o de un pequeño grupo de ellos, no se agote demasiado pronto.

• Escalabilidad: Estas redes pueden contener cientos o miles de sensores, por lo

que la calidad de servicio se debería mantener aunque el número de nodos, o su

densidad, aumente.

• Múltiples nodos sumideros, que cada cual impondrá unos requisitos diferentes

en la red.

• Múltiples tipos de tráfico: Algunas aplicaciones necesitarán capturar datos

procedentes de distintos tipos de sensores (temperatura, presión, humedad, etc.),

se encuentren o no en el mismo nodo. Las lecturas generadas por estos sensores

pueden tener diferentes características de calidad de servicio.

• Paquetes críticos: Algunos mecanismos de calidad de servicio pueden necesitar

el diferenciar unos paquetes de otros, en base a su importancia o a una estructura

de prioridades.

3.2.- Arquitectura y diseño de una red inalámbrica de sensores Una vez vistos los problemas específicos a los que se enfrentan este tipo de redes

para proporcionar calidad de servicio, vamos a estudiar un poco más en detalle cómo es el

despliegue de estas redes, qué arquitecturas se suelen formar y qué cuestiones de diseño se

tienen en cuenta en ellas.

Figura 4: Aspecto físico de un nodo sensor o mota


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• Escenarios de redes

Los dos elementos básicos que constituyen una red inalámbrica de sensores

son las fuentes y los sumideros. Una fuente, normalmente un nodo sensor o mota,

proporciona información al sumidero. El sumidero puede ser otro nodo sensor

integrado en la red cumpliendo esa función específica, o bien un dispositivo

externo que interactúe con ellos, o incluso una pasarela hacia otra red distinta. La

siguiente figura muestra estas situaciones.

Figura 5: Tipos de sumideros

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Fuente

Sumidero Nodo

Nodo

Nodo Fuente

Sumidero

Nodo

Nodo

Nodo Fuente

Sumidero

Internet


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El problema está en que hay ocasiones en que la fuente no puede alcanzar

directamente al sumidero, por ejemplo, porque no exista “visión directa” debido a

algún obstáculo. Para solucionar este problema se utiliza encaminamiento multi-

salto, que como ya hemos visto, optimiza además el consumo energético.

Figura 6: Comunicación multisalto

Y para cubrir todas las posibilidades, se debe tener en cuenta que en muchas

ocasiones contamos con múltiples fuentes y múltiples sumideros, donde en el

caso más complejo, múltiples fuentes deben enviar información a múltiples

sumideros, y toda o parte de la información tiene que alcanzar a todos o a algunos

de los sumideros.

Nodo

Nodo Nodo

Nodo

Fuente Sumidero Obstáculo


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Figura 7: Múltiples fuentes

Figura 8: Múltiples sumideros

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo Nodo

Nodo


O.Ortiz - 17 -

Figura 9: Múltiples fuentes y múltiples sumideros

En los escenarios presentados hasta ahora, todos los componentes que integran

la red (fuentes y sumideros) son estáticos. Pero si algo caracteriza a cualquier red

inalámbrica, es precisamente la movilidad. En las redes inalámbricas de sensores

podemos encontrar tres tipos de movilidad y los protocolos de comunicación que

se usen en ellas deben soportarlas:

§ Movilidad de los nodos. Típica en aplicaciones de localización, por

ejemplo, seguimiento de ganado. La red debe organizase con la

frecuencia suficiente para mantener un nivel de funcionalidad

adecuado.

§ Movilidad de los sumideros. Típica en aplicaciones en las que un

usuario móvil solicita datos de red desde una PDA o dispositivo

similar. La red debe asegurar que los datos solicitados sigan y

alcancen al sumidero, a pesar de sus movimientos.

§ Movilidad de los eventos. Típica en aplicaciones de seguimiento de

objetos. La red debe asegurar que el evento que produzca el objeto

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo


O.Ortiz - 18 -

a seguir será cubierto por un número suficiente de sensores durante

todo su recorrido.

• Dinámicas de red

Tal y como hemos visto, tanto las fuentes como los sumideros y como los

eventos monitorizados pueden ser estáticos o dinámicos. Cuando el objetivo de

una red es la monitorización de eventos estáticos, como la prevención de

incendios, por ejemplo, ésta puede trabajar en modo reactivo, generando tráfico

única y exclusivamente cuando el evento monitorizado se produzca. En este modo

de funcionamiento se pueden establecer rutas de encaminamiento bien definidas y

optimizadas. Sin embargo, cuando los eventos son dinámicos, como en la

detección y seguimiento de un objetivo, la red de funcionar en modo activo,

informando periódicamente sobre él, generando bastante más tráfico que en la

situación anterior y haciendo peligrar la estabilidad de las rutas, asi como otros

parámetros, que como hemos visto, afectan a la calidad de servicio, como el

factor energético o el ancho de banda.

• Despliegue de nodos

El despliegue topológico, o topográfico, de los nodos va a afectar directamente

al protocolo de encaminamiento usado, y normalmente dependerá de la

aplicación. El despliegue se puede hacer de una forma determinista, aleatoria o

mixta.

Un despliegue determinista implica conocer la posición de las fuentes y de los

sumideros que constituyan la red, por lo que supondrá un emplazamiento manual

de los mismos. La ventaja es que las rutas de encaminamiento pueden estar bien

definidas y el uso de un protocolo adecuado de acceso al medio puede minimizar

las colisiones entre transmisiones.

Por el contrario, en un despliegue aleatorio o auto-organizado, los nodos se

diseminan de forma aleatoria creando topologías de red Ad-Hoc, no previsibles a


O.Ortiz - 19 -

priori. En este tipo de despliegue la posición donde hayan quedado los sumideros

es crítica para la eficiencia energética y el rendimiento de la red.

Debido a esta última reflexión, se podría hacer un despliegue mixto en el que

las fuentes se distribuyan de forma aleatoria y los sumideros de forma

determinista, es decir, una vez vista cual ha sido la auto-organización de las

fuentes, situar manualmente los sumideros en los lugares más idóneos a efectos

de encaminamiento, energía y rendimiento.

• Comunicación entre nodos

Durante la creación de una infraestructura de red, el establecimiento de rutas

de encaminamiento se ve directamente influido por el despliegue de nodos y por

las consideraciones energéticas que se deban tener en cuenta. Un encaminamiento

multi-salto puede llegar a consumir menos energía que un encaminamiento

directo, aunque aumente la latencia y sobrecargue la gestión de la topología y el

control de acceso al medio. Por el contrario, un encaminamiento directo puede

ofrecer mejores resultados cuando las fuentes están próximas al sumidero, el

problema es que normalmente en un despliegue aleatorio aparecen obstáculos

entre las fuentes y los sumideros, haciendo inviable el uso de encaminamiento

multi-salto.

• Modelos de envío de datos hacia el sumidero

Los protocolos de encaminamiento y de control de acceso al medio se van a

ver influidos por el modelo de envío de datos que se use, ya que están

directamente relacionados con el consumo de energía y la estabilidad de las rutas.

Dependiendo de la aplicación para la que se haya previsto la red de sensores,

podemos encontrar varias formas en las que la fuente envía datos al sumidero:

§ Modelo de envío continuo. Las fuentes envían datos continuamente

al sumidero con una tasa de transmisión preestablecida. Se suele

usar para enviar voz, imágenes o video en tiempo real, o en


O.Ortiz - 20 -

aquellas aplicaciones en las que al sumidero le pueda interesar

almacenar datos periódicos de las medidas tomadas por los

sensores.

Este modelo combinado con una técnica de acceso al medio por

división en el tiempo puede conseguir un ahorro bastante

significativo de energía [Younis2003].

§ Modelo de envío event-driven. Las fuentes envían datos al

sumidero cuando se produce un evento. El evento, normalmente,

no será detectado por un único sensor sino por un conjunto de ellos,

que enviarán varios flujos de datos casi iguales hacia el sumidero,

por lo que la redundancia será bastante alta. Además, el tráfico que

se genera puede ser a ráfagas debido a un evento común. Las

acciones de respuesta al evento detectado deben ser distribuidas de

la forma más rápida y fiable posible y probablemente a otros

sensores y actuadores distintos de los que detectaron el evento.

Este modelo se suele usar en la mayor parte de las aplicaciones que

requieran detección de eventos, de tiempo real y, normalmente, de

misiones críticas, como por ejemplo la detección de una

emergencia debido a un escape químico.

Figura 10: Modelo de envío event-driven

Evento

Sumidero


O.Ortiz - 21 -

§ Modelo de envío query-driven. Es similar al anterior con la

diferencia de que en este modelo los datos son sondeados por el

sumidero en vez de puestos en él. Las peticiones pueden enviarse

bajo demanda, por lo que este modelo resulta también muy útil para

realizar operaciones de gestión y reconfiguración de los nodos

sensores. Igual que en el modelo anterior, las acciones de respuesta

al evento detectado deben ser distribuidas de la forma más rápida y

fiable.

Este modelo se suele usar en aplicaciones tolerantes a retardos.

§ Modelo de envío híbrido. En muchas aplicaciones los modelos de

envío vistos anteriormente coexisten en una misma red. En estos

casos se requerirán mecanismos para ajustar diferentes tipos de

parámetros de calidad de servicio para el tráfico existente.

MODELO DE ENVIO

CARACTERISTICA Event-driven Query-driven Continuo

Punto a punto No No No

Interactividad Si Si No

Tolerancia a retardos No Depende de la aplicación Si

Criticidad Si Si Si

Tabla 1: Modelos de envío de datos

• Capacidad de los nodos

Cada nodo dentro de una red puede tener capacidades computacionales, de

comunicación o de potencia distintas. Normalmente, y dependiendo de la

aplicación, un nodo puede estar dedicado al reenvío de datos, a la detección de

eventos o a la agregación de datos. Hacer que estas tres capacidades coexistan en

un solo nodo puede conllevar unos costes de energía prohibitivos. La mayoría de

los protocolos jerárquicos que se han propuesto, designan en un área un nodo más


O.Ortiz - 22 -

potente que los demás (cluster-head) en términos de energía, ancho de banda y

potencia, que será el encargado de la agregación de datos y de la transmisión de

los mismos hacia el sumidero [Subramanian2000] [Younis2002].

• Procesado “en red”

En una red distribuida los nodos, además de cumplir con su misión específica,

pueden estar involucrados en el funcionamiento de la propia red, pudiendo

realizar funciones de procesado de información sobre los datos que están siendo

transportados por ella.

Este procesado “en red” de la información es actualmente un principio de

diseño esencial en este tipo de redes. Ya existen varias técnicas, aunque este

campo sigue abierto a nuevas propuestas. Analizaremos dos de ellas: la

agregación de datos y la codificación distribuida de la fuente.

§ Agregación de datos. No siempre es necesario transportar todas las

lecturas de los nodos sensores al sumidero, por ejemplo en el caso

en el que la información relevante sea un valor medio o una

diferencia entre dos valores. En este caso, un nodo intermedio

puede agregar o condensar varias medidas de varios sensores en un

nuevo dato, que será el que se transmitirá. El coste de

procesamiento de ese conjunto de datos compensa el coste

energético de haberlos transmitido de forma individual.

La dificultad de esta técnica reside en la elección del nodo en el

que realizar la agregación, de cuanto tiempo se deben esperar los

datos a agregar y que impacto produciría la pérdida de paquetes.

En las siguientes figuras se puede ver como en la de la izquierda,

sin usar agregación y con encaminamiento multi-salto, viajan por

la red 13 paquetes de datos y en la de la derecha, que sí usa

agregación, sólo viajarían 6 paquetes.


O.Ortiz - 23 -

Figura 11: Agregación de datos

§ Codificación distribuida de la fuente. La técnica anterior, condensa

y sacrifica información para no tener que transmitir todos los bits

de datos desde todas las fuentes al sumidero. Sin embargo, otra

forma de conseguir esto sin tener que sacrificar datos, es haciendo

una codificación y una compresión de datos previa en el nodo, tal y

como se hace en las redes convencionales cuando, por ejemplo, se

quiere transmitir una secuencia de video. La particularidad en estas

redes es que habría que codificar la información procedente de

varios sensores y con técnicas de codificación y compresión más

ligeras, computacionalmente hablando, que las que se usan

tradicionalmente en otras redes. Además, se ha de tener en cuenta

que las lecturas que proporcionen dos nodos adyacentes serán muy

similares, o lo que es lo mismo, su coeficiente de correlación estará

muy próximo a 1. Ya hay propuestas teóricas que inciden en el

estudio de la correlación de datos entre sensores, como por ejemplo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

1 1

1

1

3

6

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

Nodo

1 1

1

1

1

1


O.Ortiz - 24 -

el teorema propuesto por Slepian y Wolf [Slepian1973], que lleva

su nombre.

• Centricidad de datos

En las redes tradicionales una comunicación viene determinada por un

transmisor y un receptor, identificados cada uno por su dirección. En las redes

inalámbricas de sensores no tiene tanta importancia el nodo en particular sino la

información que es enviada a través de la red. Hay que tener en cuenta que en este

tipo de redes un evento puede ser detectado de forma simultanea por varios nodos

y a la aplicación le interesará la información del evento no la identidad de los

nodos que lo detectaron. Por lo tanto, lo que tenemos es un tipo de

direccionamiento centrado en la información (data-centric) y no en los nodos que

la producen.

El paradigma de direccionamiento data-centric ofrece desvinculación de

identificadores (no es necesario distinguir entre comunicaciones punto a punto,

punto a multipunto, etc.) y desvinculación de tiempo (no se especifica cuándo se

generará una respuesta a los datos solicitados), además de mejorar el rendimiento

y la eficiencia energética, haciendo a su vez que las redes sean más escalables.

Existen varias formas de implementar una red data-centric, proporcionando

toda una serie de interfaces que las aplicaciones usarían. Las más importantes son:

§ Redes solapadas y tablas hash distribuidas. Solución basada en las

redes peer-to-peer en las que se forma una red superpuesta

implementando una “tabla hash distribuida” [Weiser1993,

Stoica2001]. Los datos deseados pueden ser identificados por

medio de una clave determinada (una hash) y la “tabla hash

distribuida”, proporcionando una o varias fuentes para los datos

asociados a esa clave.

§ Paradigma publicador/suscriptor. Cualquier nodo interesado en

recibir unos datos determinados puede suscribirse a ellos. Además,


O.Ortiz - 25 -

cualquier nodo puede publicar datos junto con sus tipos. Todos los

suscriptores a un determinado tipo de datos se les notificará la

aparición de nuevos datos si algún nodo los ha publicado.

La suscripción y la publicación pueden ocurrir en instantes de

tiempo distintos y sus identidades no tendrán que ser conocidas por

ninguna de las dos partes.

§ Base de datos. La red de sensores se considera como una base de

datos dinámica a la que se le formulan solicitudes [Fung2002,

Imielinski1999]. Una propuesta para realizar consultas a la red

inalámbrica de sensores es utilizar un lenguaje basado en SQL

[Madden2002].

• Calidad de servicio

Tal y como se comentó en el apartado 2 del presente trabajo, la calidad de

servicio se puede estudiar desde dos perspectivas: calidad de servicio de bajo

nivel, observable por los dispositivos de red, y calidad de servicio de alto nivel,

observable por el usuario y dependientes en gran parte de la aplicación.

Hasta ahora hemos estado hablando de la primera perspectiva estudiando

parámetros como el ancho de banda, retardo, variación en el retardo, tasa de

pérdida de paquetes, etc.

Algunos de los parámetros que nos permitirán estudiar la calidad de servicio

desde la segunda perspectiva, la mayoría de ellos subjetivos, son los siguientes:

§ Probabilidad de detección/notificación de eventos. Con él se

intenta medir la probabilidad de que habiendo ocurrido un evento,

éste no sea detectado o notificado a un sumidero interesado en él.

§ Error en la clasificación de eventos. El evento no solo debe ser

detectado, sino también clasificado con la mayor exactitud posible.

§ Retardo en la detección de eventos. Determina el tiempo

transcurrido desde que se detecta el evento hasta que se notifica.


O.Ortiz - 26 -

§ Pérdida de notificaciones. Probabilidad de que notificaciones

periódicas, requeridas por las aplicaciones, no lleguen.

§ Exactitud en el seguimiento. Las aplicaciones de seguimiento o

tracking no deben perder el objeto seguido, de forma que la

información sobre su posición debe ser lo más exacta posible.

• Eficiencia energética

Tal y como se han venido estudiando hasta ahora las redes inalámbricas de

sensores, podemos afirmar que la “eficiencia energética” es uno de los objetivos

de optimización más importantes. Ahora bien, bajo el término de eficiencia

energética se pueden englobar muchos aspectos, algunos de ellos son:

§ Energía necesaria para informar de un evento. Se ha de minimizar

la redundancia de datos derivada de la detección múltiple y

simultanea de un evento.

§ Equilibrio energía-retardo. En ocasiones puede estar justificado un

gasto “extra” de energía con el fin de minimizar el retardo en la

transmisión de datos denominados “urgentes”, procedentes de

eventos considerados de mayor importancia.

§ Tiempo de vida de la red. Es el tiempo durante el cual la red está

operativa, o lo que es lo mismo, durante el que es capaz de

completar las tareas para las que se diseñó. Se puede estudiar de

tres formas:

- Tiempo transcurrido hasta que muere el primer nodo

- Tiempo transcurrido hasta que el 50% de los nodos se

quedan sin energía.

- Tiempo transcurrido hasta que ocurre una partición de la

red, esto es, hasta que dos o mas partes de la red quedan

aisladas entre sí, debido a la muerte de nodos.


O.Ortiz - 27 -

• Robustez

Las redes inalámbricas de sensores deben seguir activas a pesar de que unos

cuantos nodos fallen debido al agotamiento de la batería, a cambios en el entorno,

al corte del enlace de radio, etc.

Evaluar todos estos aspectos para determinar la robustez de una red es una

labor muy difícil y que depende de los modelos de fallos usados tanto para los

nodos como para los enlaces de comunicación.

• Pilas de protocolos basadas en componentes y optimización inter-capa

Tal y como se comentó en el apartado 1 del presente trabajo, todas las redes

inalámbricas de sensores requerirán y se verán influidas en gran manera por los

protocolos de las capas física y enlace. Y habrá redes que requieran los servicios

de las capas de red y transporte. Debido a esto, la tendencia es la de optimizar las

comunicaciones entre las distintas capas usando arquitecturas inter-capa, pero

siempre de una forma prudente, ya que un mal uso de ellas puede producir bucles

retroalimentados y poner en peligro tanto la funcionalidad como la optimización

de todo el sistema [Kawadia2003].

Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores

O.Ortiz - 28 -

4.- PROPUESTAS PARA PROPORCIONAR CALIDAD DE SERVICIO EN REDES

INALAMBRICAS DE SENSORES

4.1.- Introducción

Hasta la fecha se ha dedicado mucho esfuerzo en optimizar la eficiencia energética

en las redes inalámbricas de sensores, centrándose en la investigación de nuevos

protocolos de encaminamiento y de control de acceso al medio. Sin embargo, en lo que se

refiere a la calidad de servicio, la experiencia es mucho más breve. Se han realizado

algunos estudios sobre encaminamiento con calidad de servicio en redes móviles Ad-Hoc,

pero nada serio en el contexto de las redes inalámbricas de sensores.

Conseguir un soporte adecuado de calidad de servicio es uno de los retos más

importantes dentro de cualquier red, incluidas las redes inalámbricas de sensores.

En este apartado se van a describir de forma general las técnicas usadas para

proporcionar calidad de servicio en este tipo de redes, centrándonos en los protocolos de

la capa MAC, red y transporte.

4.2.- Protocolos MAC

Para lograr que cualquier red, cuyo medio de transmisión esté compartido, opere

de forma correcta, es imprescindible contar con un nivel MAC adecuado. La tarea

fundamental de cualquiera de estos protocolos es el evitar o minimizar las colisiones que

se pueden producir cuando dos o más nodos tratan de transmitir información por el medio

de transmisión de forma simultanea.

Se han desarrollado muchos protocolos MAC para redes convencionales, tanto

cableadas como inalámbricas. Algunos tienen esquemas de asignación fija como el

protocolo TDMA (acceso múltiple por división en el tiempo) o el CDMA (acceso

múltiple por división de código) y otros, esquemas de asignación aleatoria basados en

contención como el protocolo ALOHA, CSMA (acceso múltiple por detección de

portadora) o el IEEE 802.11.


O.Ortiz - 29 -

Sin embargo, hay dos características típicas en las redes de sensores que hacen que

todos estos protocolos no sean válidos para ellas:

1. Redundancia de datos: No es necesario recibir todos los paquetes de todos los

nodos. Esto excluye los protocolos que usen esquemas de asignación fija.

2. Tráfico constante durante el tiempo de operación: Cuando un sumidero

requiere información de los nodos, todos estos tendrán al menos un paquete

que transmitir. Esto excluye los protocolos de acceso aleatorio, ya que están

pensados para cuando el tráfico existente en la red es aleatorio y a ráfagas.

Cuando se diseñe un protocolo MAC para una red inalámbrica de sensores se han

de tener en cuentas las siguientes características:

• Debe ser energéticamente eficiente.

• Debe ser escalable ante los cambios de tamaño de la red, densidad de

nodos y topología.

• Debe tener en cuenta parámetros como la latencia, el retardo, el ancho

de banda, etc.

Históricamente, siempre que se ha diseñado un protocolo MAC se ha tratado de

conseguir un alto throughput de unidades de paquetes por slot de tiempo, pero en un

escenario de red como el que estamos analizando, no basta con contabilizar el número de

paquetes que llegan a su destino, ya que dos sensores adyacentes pueden generar dos

paquetes cuya información sea muy parecida. Proporcionarían mucha más información

dos paquetes procedente de sensores alejados entre sí.

Un buen protocolo MAC debería ser aquel logre, con el mínimo tiempo y

utilizando la mínima cantidad de energía posible, realizar la tarea por la cual se ha

desplegado la red de sensores.

A continuación analizaremos los principales protocolos MAC con mecanismos de

calidad de servicio para redes inalámbricas de sensores.


O.Ortiz - 30 -

• El protocolo B-MAC

El protocolo B-MAC (Berkeley Media Access Protocol) [Polastre2004] es un

protocolo de acceso al medio con escucha de portadora para redes inalámbricas de

sensores. Proporciona una interfaz flexible para obtener un modo de operación de

muy bajo consumo de energía, efectividad a la hora de evitar colisiones y una alta

utilización de los canales.

Emplea un esquema de preámbulo adaptativo, lo que le permite funcionar con

muy bajo consumo, reduciendo el ciclo de trabajo al mínimo y minimizando el

tiempo de escucha. Soporta reconfiguración “al vuelo” y proporciona interfaces

bidireccionales para optimizar el rendimiento de los servicios del sistema

(throughput, latencia ó conservación de energía).

Es un protocolo simple, con un núcleo reducido y ofrece una serie de servicios

a los niveles superiores que le permite soportar una amplia variedad de carga de

trabajo en los sensores. Su efectividad está probada.

Además, propone una interfaz adaptativa que permite a los servicios de

middleware reconfigurar la carga de trabajo del protocolo MAC.

Los objetivos que se propusieron en el diseño de este protocolo fueron los

siguientes:

§ Modo de operación de bajo consumo de energía.

§ Efectividad evitando colisiones.

§ Implementación simple, con pocas líneas de código que puedan

almacenarse en una memoria muy reducida.

§ Efectividad en la utilización del canal para bajas y altas tasas de

transmisión de datos.

§ Reconfigurable por protocolos de red.

§ Tolerante a entornos cambiantes.

§ Escalable para un gran número de nodos.


O.Ortiz - 31 -

Para conseguir estos objetivos, B-MAC se diseñó siguiendo las directrices de

los protocolos CSMA a las cuales se les añadió diversos mecanismos para que

fueran funcionales en el contexto de las redes inalámbricas de sensores. Aunque

B-MAC está indicado para aplicaciones de monitorización, aunque también

soporta servicios adicionales como seguimiento de objetivos, localización,

informe de aparición de eventos o, incluso, encaminamiento multi-salto.

Aunque B-MAC es un protocolo del nivel de enlace, también ofrece algunos

servicios propios del nivel de red, como organización, sincronización y

encaminamiento, incluidos en su implementación.

• El protocolo Z-MAC

El protocolo Z-MAC (Zebra MAC) [Rhee2005] es un protocolo de acceso al

medio híbrido para redes de inalámbricas de sensores que combina las ventajas de

los protocolos TDMA y CSMA, minimizando sus inconvenientes. Su

característica principal es la adaptabilidad que tiene al grado de contención de la

red, de forma que si la contención es baja se comporta como CSMA y si es alta,

como TDMA. Presenta, además, una gran robustez ante cambios de topología y

fallos de sincronización.

Al finalizar el despliegue de los nodos, Z-MAC asigna a cada uno de ellos un

slot de tiempo inicial. Esto incurrirá en una alta sobrecarga de tráfico al principio,

pero que se verá amortizada con un largo periodo de operación de la red y

finalmente compensada con las mejoras que se obtienen en el throughput y en la

eficiencia energética.

La planificación del canal la realiza mediante el algoritmo DRAND

[Rhee2004] (versión distribuida del algoritmo RAND), haciendo que cada nodo

reutilice de forma periódica (frames) su slot de tiempo asignado inicialmente. Al

nodo al que se le haya asignado un slot, será “propietario” de ese slot, pasando a

ser “no propietarios” el resto de los nodos. Podrá haber más de un nodo


O.Ortiz - 32 -

propietario por slot, siempre y cuando estén situados a dos saltos o de distancia

entre sí.

A diferencia de TDMA, un nodo podrá transmitir durante cualquier slot de

tiempo. Para transmitir durante un slot (no necesariamente al principio del

mismo) se supervisa la portadora para verificar que el canal esta libre, siendo

entonces cuando se transmite el paquete. Se implementa un esquema de

prioridades, de forma que los nodos propietarios de un slot se les da opción a

transmitir en él antes que a los no propietarios, reduciendo así la posibilidad de

colisiones. En el caso de que los propietarios no hagan uso de su slot, los no

propietarios podrían “robarlo” y transmitir en él. Una característica importante de

este esquema de prioridades es que la probabilidad de que los propietarios

accedan al canal puede ser ajustada independientemente de los nodos no

propietarios.

Z-MAC llega a ser más robusto que TDMA ante fallos de sincronización,

variación de tiempo de canal, fallos de asignación de slot y cambios en la

topología, debido a que sólo necesita sincronizar nodos vecinos que estén hasta

dos saltos de distancia. Es más, incluso en los casos en los que la

desincronización sea total, el rendimiento de Z-MAC sería comparable al de

CSMA.

• El protocolo MAC de tiempo real estricto

Un proceso de tiempo real puede ser considerado como de tiempo real suave o

de tiempo real estricto. Si un proceso del sistema es de tiempo real suave y tiene

un fallo en tiempo de latencia (siempre dentro de unos límites establecidos), no

conllevará un fallo general en el sistema. Sin embargo, un proceso del sistema de

tiempo real estricto, si.

El protocolo MAC de tiempo real estricto para redes inalámbricas de sensores

lineales, fue publicado en [Watteyne2005] y está basado en otro protocolo MAC,

también de tiempo real estricto, publicado en [Caccamo2002].


O.Ortiz - 33 -

En [Caccamo2002] los nodos deben está organizados en células o celdas

hexagonales, diferenciando entre comunicaciones intracelulares e intercelulares.

Cada célula usa una frecuencia distinta para sus comunicaciones intracelulares, de

forma que con 7 frecuencias distintas nos aseguramos que no existirán

interferencias entre comunicaciones intracelulares de células vecinas. Dentro de

cada célula, el acceso al medio se regula mediante el algoritmo EDF (Earliest

Deadline First) [Caccamo2002]. Para las comunicaciones intercelulares se situará

un nodo “router” en el centro de cada célula. Las seis direcciones posibles son

denotadas por A, B, etc, y mediante la emisión de la frecuencia de la célula

receptora, es posible la emisión direccional. Utilizando un frame de tiempo global

se alternan las comunicaciones intra e intercelulares en una dirección

determinada.

Figura 12: Comunicación intercelular en I-EDF [Caccamo2002]

Sin embargo, este protocolo, tal y como está planteado, es prácticamente

inviable en el contexto de la redes inalámbricas de sensores debido, entre otras

cosas, a que se basa en una estructura celular rígida no compatible con un

despliegue aleatorio de los nodos, a parte del alto coste que supone el tener nodos

A B

C

D

E

F 1

2

3

4

5

6

7

2

3

4

Inter-cell A

Intra-cell

Inter-cell B

Intra-cell

Inter-cell C

Intra-cell

Inter-cell D

Intra-cell time


O.Ortiz - 34 -

especiales, como los nodos “router” que deben tener un transceptor GPS para la

sincronización global.

El protocolo MAC que se propone en [Watteyne2005] es de tiempo real

estricto para una red de sensores de bajo coste, despliegue aleatorio, sin

diferenciación de nodos (no existen nodos “router”) y sin sincronización global

del reloj (sin GPS). No hay consideraciones de encaminamiento, ya que en los

tipos de aplicaciones soportadas, el área cubierta es lineal (las transmisiones de

los nodos alcanzan ambos limites). En un extremo de la red se sitúa un sumidero

que se encargará de recolectar los eventos captados por los sensores.

Cada nodo debe conocer su coordenada del eje de abscisas (único eje, al no

tratarse de una red en 2D), que lo identificará de forma única. Este valor podría

ser establecido durante el despliegue. Los nodos están separados por una distancia

situada entre distmin y distmax (distancia máxima a la cual pueden comunicarse los

nodos).

El enlace radio es bidireccional, por lo que cuando un nodo este situado entre

otros dos, éste podrá comunicarse con cualquiera de ellos. Los nodos se

comunican utilizando un ancho de banda constante BW (en bps); la longitud de

los mensajes en bits son denotados mediante longitud<tipo de mensajes>. Cada nodo

conoce a priori el valor maxrango (en metros), que es el máximo rango de emisión

de un nodo en condiciones óptimas.

Se considera que los eventos son aperiódicos; pueden ser generados por

cualquier nodo y todos son de igual importancia.

Bajo estas hipótesis, un nodo puede acceder al medio sólo si ha esperado

durante un tiempo de backoff proporcional a la distancia que le separa del último

nodo emisor, y no ha escuchado ningún otro mensaje durante este tiempo de

espera. Si todos los nodos están separados entre sí una distancia mínima distmin ,

las colisiones serán evitadas.


O.Ortiz - 35 -

• El nivel MAC de IEEE 802.15.4

La especificación IEEE 802.15.4 [IEEE802.15.4,2003] ha sido recientemente

adoptado como estándar de comunicación para las redes de área personal

inalámbricas de baja tasa de transmisión (LR-WPANs, Low-Rate Wireless

Personal Area Networks). Es lo suficientemente flexible y configurable como

para poder adaptarse a los requisitos de muchas aplicaciones. De hecho, aunque

no fue inicialmente diseñado para las redes inalámbricas de sensores, puede ser

adaptado fácilmente a ellas, ya que la baja tasa de transmisión, el bajo consumo

de energía y el bajo coste del despliegue de la red son parámetros claves de esta

especificación.

Figura 13: Torre de protocolos del estándar IEEE 802.15.4

El protocolo usado en la capa MAC de esta especificación proporciona ciclos

de trabajo muy bajos (inferiores al 0,1%) y garantías de tiempo real mediante el

uso del mecanismo de Slot de Tiempo Garantizado (GTS), características muy

IEEE 802.15.4 868/915 MHz

PHY

IEEE 802.15.4 2400 MHz

PHY

IEEE 802.15.4 MAC

IEEE 802.2 LLC Otros LLC

Capas Superiores


O.Ortiz - 36 -

interesantes para redes donde el consumo de energía, el tiempo de vida y los

requisitos de retardo sean críticos.

4.3.- Protocolos de Encaminamiento

El encaminamiento en redes inalámbricas de sensores es más complejo que el

encaminamiento en otras redes inalámbricas Ad-Hoc, y por su puesto, más complejo que en

las redes convencionales. Los principales motivos son los siguientes:

1. No es posible construir y esquema de direccionamiento global, al estilo de IP.

Además, en la mayoría de las ocasiones es más importante el hecho de obtener

los datos que conocer la identidad de quién los envía.

2. La mayoría de las aplicaciones que hagan uso de estas redes van a requerir el

dirigir flujos de datos originados en distintos nodos distantes entre sí, hacia un

sumidero determinado. Normalmente, el encaminamiento se hará basándose en

la información (data-centric).

3. Los datos generados en los nodos van a tener una gran redundancia, hecho que

si se aprovechara adecuadamente se podría reducir el consumo de energía y

mejorar el ancho de banda.

4. Hay que prestar especial cuidado a la hora de gestionar los recursos de los

nodos ya que, como se ha comentado en apartados anteriores, están

fuertemente limitados.

5. En la mayoría de las aplicaciones los nodos permanecerán estacionarios

después del despliegue. En los casos en los que algunos nodos sean móviles,

hay que tener en cuenta que esto originará cambios frecuentes e impredecibles

en la topología, haciendo que la tarea de encontrar y mantener las rutas no sea

nada trivial.

6. Es importante saber en todo momento la localización de los nodos, teniendo en

cuenta que normalmente no es posible contar con un hardware específico de

localización GPS (Global Positioning System), por lo que se debería prescindir

de él [Intanagonwiwat2000]. Hay métodos basados en triangulación que


O.Ortiz - 37 -

permiten a los nodos calcular de forma aproximada su posición comprobando

la potencia de la señal de radio desde unos puntos de referencia conocidos

[Bulusu2000].

En general, los protocolos de encaminamiento en redes inalámbricas de sensores

pueden estudiarse desde dos puntos de vista, dependiendo de la estructura de la red o del

criterio de encaminamiento que se use.

Dependiendo de la estructura de la red podemos tener encaminamiento plano (todos los

nodos tienen la misma funcionalidad), encaminamiento jerárquico (los nodos jugarán

diferentes roles dentro de la red) o encaminamiento basado en localización (la información

de la posición de los nodos se usa para encaminar los datos dentro de la red).

Y dependiendo del criterio de encaminamiento, tendremos protocolos basados en

negociación, multitrayecto, petición, calidad de servicio o coherencia.

Todos estos protocolos se consideraran adaptativos si pueden ser controlados ciertos

parámetros suyos con el fin de amoldarse a las condiciones actuales de la red y a los niveles

de energía disponibles.

Otra posible clasificación de los protocolos de encaminamiento, atendiendo a cómo se

encuentra la ruta, puede ser la siguiente:

§ Protocolos proactivos. Todas las rutas son calculadas antes de que se necesiten,

preferibles cuando los nodos son estáticos.

§ Protocolos reactivos. Las rutas se descubren y se establecen bajo demanda, con

el consumo de energía que lleva asociado.

§ Protocolos híbridos. Usan una combinación de los dos tipos anteriores.

Otra clase de protocolos de encaminamiento son los llamados cooperativos. En este tipo

de protocolos, los nodos envían datos a un nodo central donde pueden ser agregados o

procesados de alguna forma, ayudando así a reducir el coste de las rutas, en términos de uso

de energía.


O.Ortiz - 38 -

A continuación se presentarán brevemente las técnicas y protocolos de encaminamiento

desarrollados más recientemente para redes inalámbricas de sensores, centrándonos en los

basados en calidad de servicio. Para ello, se ha tenido en cuenta la clasificación de protocolos

mostrada en la figura.

Figura 14: Clasificación de los protocolos de encaminamiento

4.3.1- Protocolos de basados en la estructura de la red

Los protocolos de encaminamiento en redes inalámbricas de sensores que se

basan en la estructura de la red se pueden clasificar dentro de tres grandes grupos, tal y

como se muestra en la figura anterior.

En la siguiente clasificación de detallan los protocolos concretos, dentro de esos

grupos, que se presentarán en este apartado.

Encaminamiento basado en

multitrayecto

Protocolos de Encaminamiento en Redes Inalámbricas de Sensores

Estructura de Red

Criterio de Encaminamiento

Encaminamiento en redes planas

Encaminamiento en redes

jerárquicas

Encaminamiento basado en localización


petición


negociación


calidad de servicio


O.Ortiz - 39 -

Figura 15: Clasificación de los protocolos de encaminamiento basados en la estructura de la red

• Protocolos de Encaminamiento en redes planas

En este tipo de redes todos los nodos juegan el mismo papel, colaborando

unos con otros para hacer la captación de eventos de forma conjunta. Dada la gran

cantidad de nodos que forman estas redes, no es viable el asignar un identificador

a cada uno de ellos, por lo que un encaminamiento basado en la información es a

priori lo más indicado. Los dos protocolos principales que siguen esta filosofía

son “SPIN” y “difusión dirigida”, de los que derivan muchos otros protocolos que

siguen conceptos similares.

Protocolos basados en la estructura de la red

Encaminamiento en redes planas

Encaminamiento en redes

jerárquicas

Encaminamiento basado en la localización

Sensor Protocols for Information via Negotation

Difusión Dirigida

Data-Centric Data Dissemination

Encaminamiento basado en gradiente

Active Query forwarding In sensor nEtwork

Algoritmo de reenvío de coste mínimo Encaminamiento basado en ahorro de energía

Low Energy Adaptative Clustering Hierarchy Threshold-sensitive Energy Efficient Protocols Small Minimum Energy Communication Network Arquitectura de rejilla virtual

Encaminamiento Geográfico y Conservador de Energía

SPAN

MFR, DIR y GEDIR


O.Ortiz - 40 -

§ Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN)

Es una familia de protocolos de encaminamiento adaptativos,

propuestos en [Heinzelman1999] y en [Kulik2002], que diseminan toda la

información de cada nodo por la red, asumiendo que todos los nodos son

potenciales estaciones base, de forma que como nodos muy próximos

captarán información similar y sólo se distribuirán los datos que otros nodos

no poseen. Esto permite, siguiendo el modelo query-driven, que ante una

petición se obtenga una respuesta casi inmediata.

Estos protocolos utilizan negociación de datos y algoritmos de

adaptación de recursos. Los nodos que ejecutan SPIN asignan un nombre o

etiqueta (metadatos) a los datos que recogen, cuyo formato depende

normalmente de la aplicación. Esto permite que antes de comenzar una

transmisión, pueda haber negociación de metadatos, reduciendo así al

mínimo la redundancia en los datos propiamente dichos. Además, el

protocolo puede saber en cada momento el nivel de energía del que dispone

el nodo, adaptando asi su ejecución. Pueden funcionar incluso, en modo

event-driven, distribuyendo información sin que haya habido una petición

previa.

Las dos ideas principales en las que se basa su diseño son:

- Los nodos funcionan más eficientemente y conservan más energía

mediante el envío de metadatos en vez de enviando todos los datos.

- Las técnicas de inundación malgastan energía y ancho de banda ya

que envían copias innecesarias de datos.

SPIN se adapta muy bien a los cambios de topología de la red, ya que

cada nodo sólo necesita conocer a sus vecinos, y consigue ahorrar bastante

energía, ya que minimiza la redundancia de datos. Esto hace que sea

apropiado en entornos donde los nodos son móviles, sin embargo, no puede

garantizar la llegada de los datos.


O.Ortiz - 41 -

§ Difusión Dirigida

Protocolo propuesto en [Intanagonwiwat2000] que se basa en el

paradigma data-centric, en la que se combinan los datos procedentes de

varias fuentes (agregación de datos), reduciendo la redundancia y

minimizando el número de retransmisiones, ahorrando así energía y

prolongando el tiempo de vida de la red.

A diferencia del encaminamiento punto a punto, se buscan rutas desde

múltiples fuentes a un único destinatario, que es el encargado de realizar la

agregación.

Cuando el sumidero quiere pedir datos, difunde por la red unos

intereses o tareas que deben ser realizadas por ella. Esta difusión se produce

salto a salto hasta que llega a la fuente. Cuando un nodo recibe un interés

establece un gradiente (valor de atributo y dirección) hacia los nodos desde

los que recibió dicho interés. De todos los posibles caminos formados, se

elige y se refuerza el de mayor gradiente.

Figura 16: Difusión dirigida: Propagación de intereses

Figura 17: Difusión dirigida: Establecimiento de gradientes

Sumidero

Fuente

Sumidero

Fuente


O.Ortiz - 42 -

Figura 18: Difusión dirigida: Refuerzo de camino y envío de datos

A diferencia del encaminamiento punto a punto, se buscan rutas desde

múltiples fuentes a un único destinatario, que es el encargado de realizar la

agregación.

El objetivo principal es el ahorro de energía mediante la adecuada

selección de caminos y el almacenamiento y procesado de los datos,

aumentando así la eficiencia, la robustez y la escalabilidad.

El rendimiento de los métodos de agregación usados en difusión

dirigida dependen, entre otras cosas, de la posición del nodo fuente dentro

de la red, del número de nodos fuente y de la topología de la red. Los dos

modelos de ubicación de fuentes estudiados en [Intanagonwiwat2000]

fueron el modelo event-radius y el modelo de orígenes aleatorios.

Figura 19: Modelo Event-Radius Figura 20: Modelo de Orígenes Aleatorios

Sumidero

Fuente

Sumidero Sumidero


O.Ortiz - 43 -

§ Data-centric Data Dissemination (D3)

Este protocolo, descrito en [Ditzel2005], combina las ventajas del

encaminamiento data-centric con la eficiencia energética de los protocolos

MAC. Sus principales características son la eficiencia energética, su

simplicidad y a capacidad de conservar la energía mediante el

balanceo de tráfico y la agregación de datos.

§ Encaminamiento basado en gradiente

Este protocolo, descrito en [Schugers2001], es una versión

modificada de difusión dirigida, de forma que se registra el número de

saltos cuando los intereses son enviados a través de la red, así cada nodo

puede descubrir el mínimo número de saltos hacía el sumidero (“altura” del

nodo). La diferencia entre la “altura” de un nodo y la de su vecino, define el

gradiente de un enlace. Para balancear uniformemente el tráfico se utilizan

técnicas de agregación y reparto equitativo de tráfico.

§ Active Query forwarding In sensor nEtwork (ACQUIRE)

Este protocolo, publicado en [Sadagopan2003], esta basado en un

mecanismo de peticiones data-centric. El protocolo considera a la red de

sensores como una base de datos distribuida en la que el sumidero envía

una petición y cada nodo que la reciba intentará responderla parcialmente

utilizando su información en caché y reenviado su respuesta a otros nodos.

Si la información en caché no estuviera actualizada, los nodos consultarán a

sus vecinos situados en un radio de d saltos. Una vez que la petición llega a

su destino, ésta es reenviada hacia atrás hacía el sumidero.

§ Algoritmo de reenvío de coste mínimo

Este protocolo, descrito en [Ye2001], asume que la dirección de las

rutas es siempre la misma, es decir, la localización del sumidero es fija.


O.Ortiz - 44 -

Cada nodo conoce el camino de menor coste desde él al sumidero. Cada

mensaje reenviado por el nodo es difundido a sus vecinos. Cuando un nodo

recibe el mensaje, lo chequea para comprobar si se encuentra en el camino

de menor coste hacia el sumidero, si es así, se vuelve a difundir a los

vecinos. Este proceso se repite hasta que se alcanza el sumidero.

§ Encaminamiento basado en ahorro de energía

El objetivo de este protocolo, descrito en [Shah2002], es incrementar

el tiempo de vida de la red manteniendo un conjunto de rutas elegidas

mediante unos cálculos de probabilidad. El valor de esta probabilidad

depende del consumo de energía producido en cada ruta. Teniendo varios

caminos alternativos, se podrá elegir uno diferente cada vez que se quiera

enviar datos evitándose de este modo que se consuma toda la energía de los

nodos situados en un único camino. De este modo se logrará aumentar el

tiempo de vida de la red mediante el balanceo equitativo de la energía entre

todos los nodos.

• Protocolos de Encaminamiento en redes jerárquicas

En una arquitectura jerárquica no todos los nodos tienen la misma misión ni

las mismas capacidades. Los nodos con mayor carga de energía se suelen dedicar

al procesado y envío de información, mientras que los que tengan menos, se

pueden dedicar a la captación de un evento. Con este planteamiento, la red va a

estar formada por una serie de clusters de nodos, en los que uno de ellos tendrá

tareas especiales (cluster head). Dentro del cluster se realizarán tareas de

agregación y fusión de datos para minimizar el número de mensajes transmitidos

al sumidero, reduciendo así la energía consumida.

Este tipo de encaminamiento se divide en dos etapas: en la primera de ellas

se seleccionan los cluster heads y en la segunda se lleva a cabo el encaminamiento

propiamente dicho. Sin embargo, la mayoría de técnicas de este tipo no se centran


O.Ortiz - 45 -

en el encaminamiento, sino en “quién y cuándo se envía o se procesa (agrega) la

información”.

§ Low Energy Adaptative Clustering Hierarchy (LEACH)

El protocolo LEACH, introducido [Heinzelman2000], es un protocolo

basado en cluster que maneja información distribuida dentro de él. Se

seleccionan aleatoriamente unos pocos nodos para que actúen como cluster

heads, y de forma periódica se irá rotando esta función por el resto de los

nodos, de forma que se reparta el gasto energético extra que esta función

supone. El cluster head comprime y agrega los datos que se reciben desde

los nodos y envía un único mensaje al sumidero. En la especificación de

LEACH, se recomienda usar un protocolo de nivel MAC basado en

TDMA/CDMA, por ejemplo, Z-MAC.

El periodo de operación de LEACH está dividido en dos fases, la fase

de establecimiento y la fase activa. En la fase de establecimiento, se

organizan los cluster y se seleccionan los cluster heads. En la fase activa, se

realiza la transferencia de datos hacia el sumidero.

Aunque LEACH es capaz de incrementar el tiempo de vida de la red,

tiene una serie de debilidades debido a las suposiciones que realiza:

- Asume que todos los nodos tienen potencia suficiente como para

alcanzar al sumidero y que tienen capacidad computacional como

para ejecutar el protocolo MAC necesario. Esto le hace inviable

para redes desplegadas en zonas amplias.

- Supone que los nodos siempre tienen datos que enviar, siendo muy

parecidos los datos de nodos próximos.

- En la distribución aleatoria de cluster-heads puede ocurrir que se

concentren en un único sector de la red.

- Asume que todos los nodos parten con la misma carga energética y

que los cluster heads consumen más o menos lo mismo que un


O.Ortiz - 46 -

nodo normal (cuestión tratada en una revisión del LEACH,

llamada LEACH con negociación [Heinzelman2000(2)].

PROTOCOLO DE ENCAMINAMIENTO

CARACTERISTICA SPIN DIFUSION DIRIGIDA LEACH

Ruta óptima No Si No

Tiempo de vida de la red Bueno Bueno Muy Bueno

Conservador de recursos Si Si Si

Utiliza metadatos Si Si No

Tabla 2: Comparativa de protocolos de encaminamiento

§ Threshold-sensitive Energy Efficient Protocols (TEEN y APTEEN)

En [Manjeshw2001] y en [Manjeshw2002] se proponen dos

protocolos de encaminamiento con requisitos de tiempo real, el protocolo

TEEN (Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Network protocol) y el

APTEEN (Adaptative Periodic Threshold-sensitive Energy Efficient sensor

Network protocol), respectivamente.

En el protocolo TEEN los nodos están sondeando el medio

constantemente. El nodo que actúe de cluster head envía al resto de los

nodos del cluster dos valores: un valor mínimo y un umbral de disparo. Los

nodos no transmitirán ningún dato por debajo del valor mínimo, reduciendo

así el número de transmisiones, ni cuando el cambio en el valor captado esté

por debajo del umbral de disparo, reduciendo igualmente las transmisiones

ya que no se enviará nada si el valor captado no experimenta una variación

determinada.

Reduciendo el umbral de disparo podemos hacer que los datos

recibidos por el sumidero tengan mayor resolución, pero esto incrementaría

el número de transmisiones y por lo tanto el consumo energético. El usuario

debe buscar el compromiso de calidad que considere adecuado.


O.Ortiz - 47 -

Si los nodos del cluster no recibieran por cualquier motivo ninguno de

los valores umbrales, no llegarían a transmitir ningún datos o transmitirían

datos erróneos.

Su característica principal y más interesante es su buena adaptabilidad

a aplicaciones con requisitos de tiempo real de exigencia media.

El protocolo APTEEN es un protocolo híbrido capaz de variar la

periodicidad o los valores de los umbrales que el cluster head difunde a los

nodos, según las necesidades del usuario y el tipo de aplicación. En

APTEEN, los cluster heads difunden los siguientes parámetros:

- Atributos. Es un conjunto de parámetros físicos que pueden

proporcional alguna información de interés para el usuario.

- Umbrales. Los mismo valores y con las mismas funciones que en

TEEN.

- Periodo de información. Si un nodo no enviase información

durante un periodo de tiempo igual a este valor, se le forzaría a

hacerlo, transmitiendo los últimos valores que hubiera captado.

- Planificación. Se usa una planificación TDMA modificada que le

permite combinar políticas proactivas y reactivas, ofreciendo gran

flexibilidad al permitir al usuario establecer los valores umbrales y

de periodo de información.

Simulaciones de estos protocolos demuestran que superan en

rendimiento a LEACH y entre ellos dos, TEEN da un mayor rendimiento

debido a que minimiza el número de transmisiones.

§ Small Minimum Energy Communication Network (SMECN)

Este protocolo ha sido descrito en [Rodoplu1999]. Su objetivo es

dividir la red en subredes o clusters energéticamente más eficientes. A cada

nodo se le asigna una región de envío, que consiste en un área a través de la


O.Ortiz - 48 -

cual el envío de datos es más eficiente, energéticamente hablando, que por

otras zonas de la red. La idea principal de SMECN es encontrar una subred

que tenga menos nodos y que, por lo tanto, requiera menos saltos para

alcanzar el sumidero. El protocolo es autoconfigurable y por ello puede

adaptarse dinámicamente a los fallos de nodos.

§ Arquitectura de rejilla virtual

Esta propuesta de encaminamiento, presentada en [Jamal2004], se

basa en la agregación y procesamiento de datos para alcanzar la eficiencia

energética. Tiene en cuenta la poca movilidad de los nodos, por lo que los

sitúa en una topología fija con clusters fijos, iguales, adyacentes y no

superpuestos.

La agregación de datos se hace, en un primer nivel, de forma local por

un conjunto de cluster heads designados como Agregadores Locales. Y en

un segundo nivel, se realiza una agregación global por un subconjunto de

agregadores locales, designados como Agregadores Maestros.

Figura 21: Arquitectura de rejilla virtual

Sumidero

Nodo Nodo Agregador Local Nodo Agregador Maestro


O.Ortiz - 49 -

• Protocolos de Encaminamiento basados en la localización

Este tipo de protocolos de encaminamiento identifican a los nodos por su

localización, estimando la distancia entre ellos en base a la potencia de la señal

recibida. Las coordenadas de los nodos se pueden obtener de varias formas:

- mediante el intercambio de información entre vecinos

([Bulusu2000], [Savvides2000] y [Capkun2001]).

- mediante la comunicación con un satélite, utilizando receptores

GPS de baja potencia [Xu2001] (opción poco recomendable).

Independientemente de esto, se suelen mantener el mayor número de nodos

en modo de hibernación, siempre que no haya actividad, con el objetivo de

ahorrar energía. El problema estará a la hora de diseñar los planificadores de

periodos de hibernación de manera localizada, problema planteado en [Chen2002,

Xu2001].

Describiremos brevemente alguno de ellos.

§ Encaminamiento Geográfico y Conservador de Energía (EGCE)

Este protocolo ([Yu2001]) selecciona los nodos teniendo en cuenta su

situación geográfica y el gasto de energético. Disemina por la red

determinados “intereses” de forma similar a como lo hace “difusión

dirigida”, pero sólo a una región determinada de la red y no a la red

completa. Cada nodo guarda información sobre varios parámetros

(principalmente distancia, energía y densidad de las zonas a atravesar) con

los cuales se realiza una estimación del coste para alcanzar un destino.

§ Most Forward within Radious (MFR), compass routing method (DIR) y

The Geographic Distance Routing (GEDIR)

Estos protocolos de encaminamiento se describen en

[Stojmenovic1999] e implementan métodos básicos basados en distancias,

progreso y dirección. La clave se encuentra en la dirección de ida y de


O.Ortiz - 50 -

vuelta. Un nodo fuente o cualquier nodo intermedio seleccionarán uno de

sus vecinos de acuerdo a unos ciertos criterios.

GEDIR siempre mueve el paquete al vecino cuya distancia al destino

sea mínima. Para DIR, el mejor vecino es aquel que se encuentra en la

dirección más próxima al destino. En la mayoría de los casos, el método

MFR establece la misma ruta al destino. Los métodos GEDIR y MFR están

libres de bucles, sin embargo el método DIR puede crear bucles, a menos

que el tráfico que pase sea memorizado o se implemente un sistema de

temporizadores.

§ SPAN

SPAN [Chen2002] selecciona algunos nodos como coordinadores

teniendo en cuenta sus posiciones. Los coordinadores forman una red

backbone que es utilizada para reenviar los mensajes. Un nodo deberá ser

un coordinador si dos de sus vecinos no pueden comunicarse directamente o

a través de uno o dos coordinadores. Los coordinadores nuevos y los ya

existentes no tienen porque ser necesariamente vecinos, lo que hace que el

diseño sea menos eficiente en cuanto a energía debido a la necesidad de

mantener la distancia de dos o tres saltos a los vecinos.

4.3.2- Protocolos de basados en el criterio de encaminamiento

• Protocolos basados en multitrayecto

Este tipo de protocolos se basan en la utilización de múltiples rutas para

mejorar el rendimiento de la red. La tolerancia a fallos de un protocolo puede

medirse por la probabilidad de que exista un camino alternativo o camino de

backup entre una fuente y un destino cuando el camino principal queda fuera de

servicio. Estos caminos alternativos se mantienen activos enviando de forma


O.Ortiz - 51 -

periódica mensajes de tipo keep-alive. La tolerancia aumenta al incrementarse el

número de trayectos disponibles, pero también el consumo energético y el tráfico.

En [Chang2000] se propone un algoritmo que encamina los datos a través

del trayecto cuyos nodos tengan mayor energía residual, cambiando de ruta si se

descubre una con mejores características. La ruta principal será utilizada hasta

que la energía de sus nodos caiga por debajo de un cierto umbral y se conmute a

una ruta de backup, alternándose así los diferentes caminos existentes. Sin

embargo, lo que no se ha tenido en cuenta en este estudio son los costes que

supone realizar el cambio de ruta.

En [Rahul2002] se propone la utilización ocasional de un conjunto de

caminos subóptimos para incrementar el tiempo de vida de la red. Estos caminos

son seleccionados mediante una probabilidad que será mayor cuanta menos

energía se deba utilizar para alcanzar el destino.

[Li2001] se centra directamente en aquellos caminos que son eficientes

energéticamente, en vez de hacer un estudio de la energía residual de la red.

En [Dulman2003], el encaminamiento multitrayecto se usa para mejorar la

fiabilidad de las redes inalámbricas de sensores. El esquema propuesto es muy

útil para el envío de datos en entornos poco fiables. La fiabilidad de la red se

puede incrementar proporcionando varios caminos desde la fuente al destino y

enviando el mismo paquete por cada ruta. Sin embargo, utilizando esta técnica, el

tráfico se incrementa significativamente. Deberá existir un compromiso entre la

cantidad de tráfico y la fiabilidad de la red.

• Protocolos basados en petición

En este tipo de protocolos de encaminamiento, los nodos propagan una

petición de datos (tareas de captación) a través de la red y cuando un nodo

(afectado por la petición anterior) haya obtenido la información que pidió el nodo

iniciador, retornará dicha información. Normalmente las peticiones son descritas

en lenguaje natural o lenguaje de alto nivel. Todos los nodos tienen tablas con las


O.Ortiz - 52 -

tareas de captación que se le han encomendado, y mandan la información

correspondiente cuando hayan finalizado la tarea de captación. La difusión

dirigida es un ejemplo de este tipo de encaminamiento (el sumidero manda los

mensajes de “requisitos” a los nodos).

• Protocolos basados en negociación

Estos protocolos usan descriptores de datos de alto nivel para eliminar la

redundancia de datos de las transmisiones mediante negociaciones. Las decisiones

de comunicación son tomadas en base a los recursos que están disponibles. Los

protocolos de la familia SPIN y los presentados en [Kulik2002] son ejemplos de

protocolos basados en negociación.

• Protocolos basados en calidad de servicio

La calidad de servicio es de vital importancia para las aplicaciones de

tiempo real sobre redes inalámbricas de sensores. Igual que hablamos de tiempo

real estricto y tiempo real suave, también existe el concepto de calidad de servicio

fuerte y calidad de servicio suave.

El tráfico que genera una aplicación en tiempo real se caracteriza por un

flujo de datos periódico, definido dentro de una sesión, que dura un intervalo de

tiempo. Una calidad de servicio fuerte implica mantener las especificaciones de

calidad durante toda la sesión, cosa difícil de garantizar debido a la naturaleza

cambiante del medio, sin embargo una calidad de servicio suave si puede estar

cubierta por la red [Veres2001]. Una sesión tendrá requisitos de calidad de

servicio suave si hay periodos transitorios en los que no se cumple la

especificación de calidad de servicio [Mohapatra2002].

Para lograr esta calidad de servicio, la capa de red, dentro de la arquitectura

de protocolos, es de suma importancia debido a que:

- es la responsable de establecer las rutas para unir dos puntos

distantes dentro de la red, proporcionando eficiencia energética y


O.Ortiz - 53 -

estabilidad, aunque el entorno sea cambiante. Un encaminamiento

multitrayecto y una transmisión multisalto pueden ser muy

interesantes, teniendo en cuenta los compromisos energía-latencia

que llevan asociados.

- sirve de intermediario entre las capas MAC y la aplicación,

mapeando los parámetros de calidad de servicio de la aplicación a

los parámetros de rendimiento de la capa MAC, y viceversa.

Para proporcionar una solución global de calidad de servicio, el protocolo

de encaminamiento tiene que estar orientado a ella. Ya hay muchos estudios sobre

protocolos de encaminamiento orientados a la calidad de servicio en el escenario

de las redes inalámbrica ad-hoc [Lin2001, Chen1999], pero no se pueden

extrapolar a las redes inalámbricas de sensores debido a las limitaciones de

energía y potencia computacional asociadas a estas redes.

En [Chen2004] y en [Younis2004] se han investigado los mecanismos para

proporcionar calidad de servicio al tráfico de las redes inalámbricas de sensores,

sin embargo en estos trabajos no se ha realizado una clasificación de los

mecanismos utilizados.

A continuación introduciremos una clasificación de las soluciones

propuestas sobre calidad de servicio en la capa de red, basándonos en el

mecanismo subyacente utilizado. Como se puede ver en la siguiente figura, hay

dos grandes categorías, las soluciones basadas en puntualidad y las basadas en

fiabilidad.


O.Ortiz - 54 -

Figura 22: Clasificación de las soluciones de calidad de servicio en la capa de red

§ Soluciones de calidad de servicio basadas en puntualidad

Se clasifican dentro de dos grandes grupos: IntServ (Servicios

Integrados, basados en reserva de recursos) y DiffServ (Servicios

Diferenciados, basados en clases de tráfico).

En IntServ, la puntualidad en la llegada de los paquetes se

proporciona mediante la reserva por flujos, idea poco escalable para las

redes inalámbricas de sensores. Un protocolo de encaminamiento que sigue

esta idea es el protocolo SPEED, propuesto en [He2003], que utiliza el

reenvío geográfico no determinístico como principal mecanismo de

encaminamiento. Este mecanismo es capaz de encaminar paquetes sin el

establecimiento previo de una ruta punto a punto.

Soluciones de calidad de servicio para la capa de red

Puntualidad

Fiabilidad

IntServ como Mecanismo (punto a punto) [Stankovic2003]

DiffServ (por paquete)

Prioridad Constante

Prioridad Diferenciada (puede cambiar en cada salto)

[Chenyang2001] [Felemban2005]

Misma prioridad para todos los paquetes de

tiempo real [Akkaya2003]

Encaminamiento Multitrayecto [Deb2003] [Felemban2005]

Paquetes del mismo flujo tienen la misma

prioridad [Sohrabi2000]


O.Ortiz - 55 -

En DiffServ, y dentro de los protocolos de “prioridad constante”,

tenemos el protocolo SAR [Sohrabi2000], uno de los primeros propuestos,

que asigna una prioridad determinada e inalterable a los paquetes

perteneciente a un flujo o sesión. Puede manejar múltiples niveles de

prioridad, pero la extensa tabla de rutas que necesita hace que no sea

adecuado para grandes redes. Otro protocolo de prioridad constante es el

que se propone en [Akkaya2003] para tráfico en tiempo real procedente de

nodos con sensores de imagen. Maneja dos tipos de tráfico: best effort y

tiempo real, no soportando varias prioridades dentro de cada tipo de tráfico.

Finalmente, dentro de los de “prioridad diferenciada”, nos

encontramos el protocolo MMSPEED (Multi-path Multi-speed Routing

Protocol) [Felemban2005] que proporciona garantías de calidad de servicio

tanto en puntualidad como en fiabilidad. En fiabilidad, usando

encaminamiento multitrayecto con un número de caminos dependiente del

grado de fiabilidad requerido por el paquete, y en puntualidad, cediendo

diversos anchos de banda para garantizar la velocidad de los paquetes.

§ Soluciones de calidad de servicio basadas en fiabilidad

El mecanismo más común usado en redes inalámbricas de sensores

para proporcionar fiabilidad es el encaminamiento multitrayecto, enviado

varias copias de la misma información sobre caminos distintos. Dos

soluciones propuestas, basadas en este tipo de encaminamiento, son

ReInForm [Deb2003] y MMSPEED [Felemban2005].

En ReInForm, la fiabilidad punto a punto se consigue observando la

información del paquete y la adaptabilidad a errores del canal para crear una

asignación diferencial de los recursos de la red basada en la importancia de

los datos. En MMSPEED, cada nodo fuente asigna un valor de probabilidad

a un paquete, definiendo así la fiabilidad requerida. Este valor será asignado

en función de la importancia de los datos que contenga el paquete.


O.Ortiz - 56 -

4.4.- Protocolos de Transporte

Un protocolo de nivel de transporte debe tener como objetivo minimizar la congestión,

y la pérdida de paquetes, gestionar la asignación del ancho de banda y garantizar fiabilidad

extremo a extremo. Los protocolos de este nivel que se están usando actualmente (UDP y

TCP) no se pueden implementar directamente sobre una red inalámbrica de sensores. Por

ejemplo, UDP no es un protocolo fiable y no ofrece control de congestión, por otra parte,

TCP lleva asociada una sobrecarga implícita en el establecimiento y en la liberación de la

conexión que hace que no sea energéticamente eficiente, entre otras cosas.

Cualquier protocolo de transporte que se diseñe para una red inalámbrica de sensores,

ha de hacerse pensando en que los dos problemas principales a los que se tiene que enfrentar

en este tipo de redes son la congestión y la pérdida de paquetes.

Los parámetros de diseño con los que se puede jugar para conseguir estos objetivos son

los siguientes:

• Factores de optimización. El rendimiento de los protocolos de transporte puede

ser evaluado utilizando distintas métricas, como:

§ Eficiencia energética. La pérdida de paquetes suele derivar en

retransmisiones y por lo tanto en consumo de energía.

§ Fiabilidad.

- de paquete: hay aplicaciones que requieren una

transmisión exitosa de todos los paquetes.

- de eventos: hay aplicaciones que sólo requieren una

detección de eventos precia.

[Sankarasubramaniam2003]

§ Métricas de calidad de servicio. En ellas se incluye en ancho de

banda, la latencia o retardo y la tasa de pérdida de paquetes.

§ Equilibrio. El gran área geográfica de despliegue de los nodos

hace que no estén todos en igualdad de condiciones a la hora

de transmitir sus datos hacia el sumidero. Los protocolos de

transporte deben asignar anchos de banda de forma equilibrada


O.Ortiz - 57 -

para obtener una cantidad de datos compensada de todos los

nodos sensores.

• Control de congestión. Las causas principales que provocan congestión en las

redes inalámbricas de sensores son, que la tasa de llegada de paquetes exceda la

tasa de servicio (más probable en los nodos cercanos al sumidero) o debido a

aspectos de rendimiento del enlace tales como la contención, interferencia o tasa

de error de bit. La congestión tiene un impacto directo en la eficiencia

energética y en la calidad de servicio de la aplicación, por lo que hay que tratar

de eliminarla , o al menos minimizarla. Hay tres mecanismos que se suelen usar

para controlarla:

§ Detección de congestión. Se usan mecanismos que permitan

determinar una longitud de cola [Hull2004, Wan2003], un

tiempo de servicio [Ee2004], o la proporción de tiempo de

servicio de paquete sobre el intervalo de tiempo entre nodos

intermedios [Wang2006].

§ Notificación de congestión. Una vez detectada, tiene que

propagar esa información hacia los nodos que están

provocando la congestión. Puede hacerlo de dos formas:

- De forma explícita: se usan mensajes de control

especiales

- De forma implícita: la notificación va incluida dentro de

paquetes de datos normales.

§ Ajuste de tasa. Cuando un nodo sensor recibe una indicación

de congestión, debe ajustar su tasa de transmisión de la forma

más precisa posible.

• Recuperación ante pérdidas. En entornos inalámbricos, la congestión, fallos en

los nodos, información de encaminamiento errónea, agotamiento de recursos

energéticos, etc, pueden causar pérdidas de paquetes, deteriorando así la calidad

de servicio ofrecida. Hay dos métodos para abordar este problema, el primero es


O.Ortiz - 58 -

incrementar la tasa de envío de la fuente, pero el excesivo gasto energético que

conlleva lo hace prohibitivo en muchas ocasiones, y el segundo es introducir

una recuperación ante pérdidas, método mucho más activo y energéticamente

eficiente. La recuperación ante pérdidas se puede llevar a cabo de dos formas:

§ Notificación y detección de pérdidas. Por ejemplo, dotando a

cada paquete de un número de secuencia para detectar si falta

alguno. Es preferible una detección y notificación salto a salto,

a una punto a punto, ya que solamente dos nodos vecinos serán

los responsables de la detección de pérdidas y pueden activar la

retransmisión local, que es energéticamente mucho más

eficiente que si se hiciera punto a punto. También se puede

identificar la razón de la pérdida del paquete, hecho que se

puede utilizar para mejorar el rendimiento del sistema.

§ Recuperación ante pérdidas basada en retransmisión. La

retransmisión de paquetes perdidos o dañados también puede

hacerse punto a punto o salto a salto.

• Guía de diseño. Según hemos visto, los protocolos de transporte diseñados para

redes inalámbricas de sensores deben tener componentes que incluyan control

de congestión y recuperación ante pérdidas. Ahora bien, hay dos formas de

conseguir esto, la primera sería diseñar protocolos o algoritmos separados para

cada una de esas dos cosas, y la segunda, hacer un diseño completo que

proporcione control de congestión y de pérdidas de forma integrada. La mayoría

de los protocolos utilizan el primer enfoque, por ejemplo, protocolos de control

de congestión son: CODA (Congestion Detection and Avoidance) [Wan2003],

Fusion [Hull2004], CCF (Control and Fairness) [Ee2004], Siphon [Wan2005],

ARC (Adaptive Rate Control) [Woo2004] o Tickle [Levis], mientras que

protocolos que proporcionen fiabilidad de transporte tenemos: PSFQ (Slowly

Fetch Quickly) [Wan2002], RMST (Reliable Multi-Segment Trasnport)

[Stann2005] o RBC (Reliable Bursty Convergecast) [Zhang2005]. Con el


O.Ortiz - 59 -

segundo enfoque tenemos, por ejemplo, el protocolo STCP (Sensor Transmisión

Control Protocol) [Iyer2005], que implementa tanto control de congestión como

fiabilidad en un único protocolo.

Aplicaciones con Requisitos de Calidad de Servicio

O.Ortiz - 60 -

5.- APLICACIONES CON REQUISITOS DE CALIDAD DE SERVICIO

Las primeras aplicaciones que se desarrollaron para redes inalámbricas de sensores

eran de carácter militar, tales como vigilancia de campos de batalla, seguimiento de

enemigos, etc., sin embargo actualmente se están desarrollando todo tipo de aplicaciones

civiles. Dentro de todas estas aplicaciones hay tres sectores en los que se requieren unos

parámetros de calidad de servicio exigentes, el cuidado medioambiental, la salud y la

seguridad y vigilancia. Estudiemos brevemente cada una de ellas:

• Monitorización medioambiental para servicios de emergencia. Permiten

supervisar áreas de hasta cientos de kilómetros cuadrados, obteniendo medidas e

información sobre espacios naturales donde no sería posible hacerlo con otros

métodos. El problema más importante a resolver es la localización detallada de

eventos, teniendo en cuenta la variabilidad del medio debido a fenómenos

atmosféricos o a seres vivos. Estos sistemas están exentos de infraestructura,

deben ser muy robustos, tolerantes a fallos y muy eficientes en cuestiones de

energía. Como resumen, podemos ilustrar lo siguiente:

Figura 23: Aplicaciones de monitorización medioambiental

Características y requisitos de las aplicaciones de

monitorización medioambiental

Comunes a todas las

aplicaciones

Específicas de cada aplicación

Tolerancia a fallos

Libre de infraestructura

Localización

Eficiencia energética

Coste de producción y mantenimiento reducido

Escalabilidad

Grado de autonomía Heterogeneidad de sensores Movilidad Tiempo real Seguridad Sincronización de tiempo


O.Ortiz - 61 -

• Salud. Permiten la telemonitorización de datos fisiológicos humanos, el

seguimiento y monitorización de médicos y pacientes dentro de un hospital, la

administración adecuada de medicinas, etc. Se caracterizan por su

heterogeneidad ya que puede haber sensores de varios tipos y uno de los

problemas más importantes es poder determinar con exactitud dónde se

encuentra la persona que está siendo monitorizada (método de localización).

Son sistemas de salto único con una infraestructura bastante estable, por lo que

la movilidad no es un elemento crítico, pero si el retardo de propagación de los

eventos. La fiabilidad de la transmisión y el contexto en el que se hace también

son factores importantes a tener en cuenta. Como resumen, podemos ilustrar lo

siguiente:

Figura 24: Aplicaciones de salud

• Seguridad y vigilancia. Estas aplicaciones pueden establecerse en entornos tan

variados como desiertos, bosques, áreas urbanas, zonas de actividad sísmica,

etc. Permiten actuar rápidamente ante desastres naturales como inundaciones o

terremotos gracias a su pronta detección. Estas aplicaciones también se usan

Características y requisitos de las

aplicaciones de salud

Comunes a todas las

aplicaciones


Consciencia del contexto

Heterogeneidad

Localización

Tiempo real

Fialbilidad

Grado de autonomía Tolerancia a fallos Libre de infraestructura Movilidad

Seguridad Sincronización de tiempo



O.Ortiz - 62 -

para realizar detección y seguimiento de eventos dentro de un área observada.

Tienen una gran cantidad de requisitos para que puedan llegar a ser eficaces:

tiempo real, seguridad, robustez, son alguno de ellos. Como resumen, podemos

ilustrar lo siguiente:

Figura 25: Aplicaciones de seguridad y vigilancia

Características y requisitos de las aplicaciones de seguridad y vigilancia

Comunes a todas las

aplicaciones


Tolerancia a fallos

Libre de infraestructura

Localización


Coste de producción y mantenimiento reducido

Escalabilidad

Cierto grado de autonomía Heterogeneidad Movilidad

Tiempo real

Seguridad Sincronización de tiempo

Propuesta de encaminamiento en una red inalámbrica de sensores

O.Ortiz - 63 -

6.- PROPUESTA DE ENCAMINAMIENTO EN UNA RED INALAMBRICA DE

SENSORES

De todas las propuestas de encaminamiento presentadas en este trabajo, nos vamos

a centrar en los protocolos de encaminamiento basados en localización en los que, según

vimos, los nodos se identifican por su localización. Para obtener las coordenadas de los

nodos se han propuesto varias formas, todas ellas agrupadas en dos tendencias, mediante

el intercambio de información entre nodos vecinos y mediante la comunicación con un

satélite utilizando receptores GPS de baja potencia.

La primera forma de obtener las coordenadas implica una fase de inicialización de

la red en la que el tráfico es intenso y el consumo energético es elevado.

La segunda forma, sin embargo, no tiene este problema, ya que las coordenadas las

obtendría directamente por el sistema GPS, pero el encarecimiento de los nodos hace

prohibitivo un despliegue a gran escala de este tipo de nodos.

En este presente apartado vamos a proponer un forma híbrida entre los dos

métodos anteriores.

La idea se basa en tener perfectamente localizados una serie de nodos, llamados

nodos maestros, que pueden ser nodos agregadores, como en una arquitectura de rejilla

virtual, o incluso sumideros. El resto de los nodos calcularán su posición partiendo de las

coordenadas fijas del nodo maestro más cercano, mediante algoritmos de triangulación

basados en relaciones energía/distancia, e intercambio de información entre vecinos.

El problema que se plantea ahora es cómo tener perfectamente localizados a los

nodos maestros. Una posible solución podría ser el dotarles de un receptor GPS de baja

potencia, pero si este nodo va a estar en una posición fija y estable, esta solución estaría

sobredimensionada, cuando simplemente bastaría con que ese nodo tuviera registradas sus

coordenadas en memoria no volátil.

La forma de posicionar estos nodos de una forma exacta sin usar ningún método

de posicionamiento adicional es usar como referencia los vértices geodésicos de la red

topográfica.


O.Ortiz - 64 -

Un vértice geodésico es una señal informativa permanente que podemos encontrar

en el campo, que nos indica la altura exacta de ese punto sobre el nivel del mar, y que

forma parte de una red de triángulos cuyas coordenadas se han calculado con la mayor

precisión posible. La red de triángulos es de carácter planetario. Todo el globo está

comunicado a través de vértices geodésicos, que además se basan en el mismo sistema de

coordenadas.

Está representado, por lo general, por un cilindro de 120 cm. de altura, montado

sobre un pedestal de hormigón, y pintado de color blanco. En vez de cilindros, también

los hay representados por señales prismáticas. La señal sirve para colocar sobre el cilindro

el instrumental topográfico para hacer mediciones. Desde cada señal además, se divisan

otros vértices geodésicos, razón por la que están siempre colocados en los lugares más

altos, despejados y con amplias visiones paisajísticas.

Figura 26: Vértice geodésico


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Los vértices geodésicos se catalogan en categorías de 1º, 2º y 3er orden. La red de

primer orden tiene sus vértices separados unos 40 Km. La de segundo orden, los tiene

separados unos 20 Km. y la de tercer orden entre 4 y 5 Km., siendo la red de primer orden

la de mayor precisión.

Con el objetivo de proteger y realizar el debido mantenimiento de los vértices

geodésicos, existe la “Ley de señales geodésicas y geofísicas” en vigor desde los años 70.

Dicha ley encarga la custodia de las señales a los alcaldes y a los ayuntamientos, no sólo

en lo referente a su cuidado, sino también a la prevención de actividades que pudiesen

entorpecer su uso, o la edificación en los alrededores que pudieran crear pantallas para el

trabajo de topógrafos, cartógrafos y geólogos.

Recientemente, el Instituto Geográfico Nacional ha puesto en marcha la red

REGENTE, acrónimo de Red Geodésica Nacional por Técnicas Espaciales, con la que se

pretende establecer en toda España una red de altísima precisión. Esta nueva red es una

malla de puntos que a su vez ya eran vértices geodésicos de primer orden, y que se han

elegido de manera que en cada hoja del Mapa Topográfico Nacional a escala 1:50000

haya un solo REGENTE, es decir, uno por cada 500 kilómetros cuadrados. La aplicación

de esta red será prestar ayuda eficaz a los usuarios de las técnicas de mediciones por

sistemas GPS.

El acceso a la información asociada a estos vértices geodésicos es público y

accesible a través de la página web del Instituto Geográfico Nacional (http://www.ign.es)

http://www.ign.es


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Figura 27: Reseña de un vértice geodésico


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Desde este sitio podemos acceder además, a bases de datos cartográficas como

IDEE (Infraestructura de Datos Espaciales de España) y SIGNA (Sistema de Información

Geográfica Nacional), que nos permite, entre otras cosas, localizar de forma detallada en

un mapa los vértices geodésicos que sean de nuestro interés.

Figura 28: SIGNA: Distribución de vértices geodésicos en el entorno de Fresno de Cantespino (Segovia)

Teniendo en cuenta esta distribución de vértices, de coordenadas conocidas,

cuando se haga un despliegue aleatorio de nodos, nos podemos encontrar con tres

situaciones, que el nodo se encuentre en una zona de cobertura, en varias zonas cobertura

o en una zona de cobertura muerta.


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Figura 29: Distribución de nodos en zonas de cobertura

El radio de la zona de cobertura se podrá controlar mediante la potencia de

emisión del nodo situado en el vértice geodésico y dependerá del área en el que estemos

interesados cubrir a la hora de implantar la aplicación, por ejemplo, área en el que nos

interese controlar incendios forestales dependiendo de la masa forestal del terreno.

Dentro de cada zona de cobertura, un nodo quedará ubicado dentro de un sector y

a una distancia determinada del vértice geodésico, de forma que ante la detección de un

evento por parte de un nodo o un conjunto de ellos, quedará determinada su localización.

Su precisión quedará determinada por el número de sectores en los que dividamos la zona

de cobertura.

Nodo en una zona de cobertura Nodo en varias zonas de cobertura Nodo en zona de cobertura muerta


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Figura 30: Localización de nodos dentro de una zona de cobertura

Si a esta idea de localización geográfica le sumamos un protocolo de

encaminamiento multisalto con agregación de datos, tal y como hemos visto en apartados

anteriores, se podrán poner en funcionamiento redes inalámbricas de sensores en grandes

áreas para aplicaciones en el sector de la monitorización medioambiental para servicios de

emergencia.

N

S

EW

Sector NESector N

W

Sector SW Sector SE

d

Nodo con coordenadas (NE,d)

N

S

EW

Sector NESector N

W

Sector SW Sector SE

d

Nodo con coordenadas (NE,d)


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Referencias Bibliográficas

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Trabajo de investigación oscar ortiz