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CAPÍTULO 3
REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS.
Las redes de sensores inalámbricas constituyen un área de investigación
creciente y apasionante que, recientemente, ha atraído la atención de la
comunidad investigadora. La creación de redes de sensores de gran escala
interconectando desde varios cientos hasta unos pocos de miles de nodos sensores
abre varios desafíos técnicos y una gran variedad de posibles aplicaciones en
campos tan diversos como el militar, médico, industrial y doméstico. Las WSNs se
han trasladado desde el dominio de investigación hasta el mundo real con la
disponibilidad comercial de sensores con capacidad de encaminamiento.
1 Introducción.
Avances recientes en sistemas microelectromecánicos (MEMS),
comunicaciones inalámbricas y electrónica digital, han permitido el desarrollo de
nodos sensores multifuncionales, de bajo coste y bajo consumo energético, con un
reducido tamaño y que se comunican inalámbricamente en distancias cortas. Estos
nodos diminutos, que están equipados con uno o más sensores, un procesador,
una memoria, una fuente de alimentación, un transceptor radio y un actuador2,
2 Un actuador es un dispositivo electromecánico que se puede usar para controlar diferentes
componentes en un sistema. En un nodo sensor, los actuadores pueden actuar sobre los sensores, mover los nodos o monitorizar la energía en un nodo.
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permiten el diseño de WSNs basadas en la colaboración de un gran número de
nodos para desempeñar una tarea determinada.
Las WSNs suponen una considerable mejora sobre los sensores
tradicionales, que eran desplegados de una de las siguientes maneras [23]:
� Los sensores eran colocados lejos del fenómeno real bajo estudio. En esta
aproximación, se requerían sensores grandes que usasen algunas técnicas
complejas para distinguir los objetivos del ruido presente en el ambiente.
� Los sensores eran colocados sobre el fenómeno real bajo estudio pero las
posiciones de éstos y la topología de red se fijaban en una fase previa al
despliegue. Además, los nodos transmitían, de forma periódica, las
medidas tomadas del fenómeno a un nodo central donde se realizaba el
procesamiento de datos.
En cambio, una WSN tiene poca o ninguna infraestructura y, generalmente,
está constituida de un gran número de nodos sensores (desde varias decenas hasta
miles de nodos) que son desplegados sobre el fenómeno de interés o muy cerca de
él para poder monitorizarlo.
Los nodos pueden organizarse de forma automática en racimos o grupos, o
bien colaborar juntos para completar una tarea ordenada por el usuario. Además,
la posición de estos nodos no necesita ser predefinida. Como resultado, las WSNs
están preparadas para desarrollar una gran variedad de aplicaciones, por ejemplo,
seguimiento de la localización de objetivos y monitorización del medio ambiente
en áreas de acceso restringido.
Debido a que los nodos tienen limitada su capacidad de almacenamiento y
que son desplegados típicamente en localizaciones de difícil acceso, se hace
necesario dotarlos de un transceptor radio para que puedan comunicarse
inalámbricamente entre ellos o con una estación base (por ejemplo, un PC, un
punto de acceso de una infraestructura fija, etc.) que actúa como sumidero de los
datos recogidos por todos los nodos de la red.
Además, dado que estas aplicaciones generan gran cantidad de datos, éstos
pueden ser reunidos o agregados para reducir la energía consumida. Los nodos
sensores usan sus habilidades de procesamiento para llevar a cabo, de forma local,
cómputos simples y transmitir únicamente los datos requeridos.
Aunque han sido muchos los algoritmos propuestos para las tradicionales
redes inalámbricas ad-hoc, éstos no se ajustan a las características únicas y a los
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requerimientos de las aplicaciones en WSNs. Para ilustrar este punto, se enumeran
a continuación las diferencias entre las WSNs y las redes tradicionales ad-hoc [23]:
� El número de nodos sensores en una WSN puede ser varios órdenes de
magnitud superior que el de una red ad-hoc tradicional.
� Generalmente, los nodos sensores son desplegados de forma densa.
� Los nodos sensores son propensos a fallos.
� La topología de una WSN cambia frecuentemente.
� Los nodos sensores usan principalmente comunicaciones en difusión,
mientras que la mayoría de redes ad-hoc tradicionales están basadas en
comunicaciones punto a punto.
� Los nodos sensores están limitados en potencia, capacidades
computacionales y almacenamiento.
� Los nodos sensores, a priori, no pueden tener una identidad global (ID)
debido a la gran cantidad de nodos que en ocasiones presenta una red.
� Las WSNs son desplegadas normalmente para una aplicación en particular,
mientras que las redes ad-hoc son construidas en su mayoría para
propósitos de comunicación.
Así, como se explicará en los siguientes apartados, a diferencia de otras
redes, una WSN tiene sus propias restricciones de diseño y limitaciones de
recursos. En cuanto a estas limitaciones, se pueden citar las energéticas, corto
rango de transmisión, reducido ancho de banda y capacidades limitadas de
procesamiento y almacenamiento en cada nodo. Por otro lado, las restricciones de
diseño son dependientes de la aplicación y están relacionadas directamente con el
entorno monitorizado. El entorno bajo estudio juega un papel fundamental para
determinar el tamaño de la WSN, el esquema de despliegue y la topología de la
red. El tamaño de la red varía con el entorno: mientras que en entornos de interior
se necesitan pocos nodos para formar una red en un espacio limitado, en
exteriores se puede necesitar de una gran cantidad de nodos para monitorizar
áreas extensas.
Las aplicaciones en WSNs y los protocolos de comunicación están enfocados
principalmente en proveer alta eficiencia energética, ya que los nodos sensores
están provistos de pequeñas baterías que generalmente son difíciles de sustituir.
Por lo tanto, mientras las redes tradicionales están orientadas a alcanzar un nivel
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de calidad de servicio (Qos) predeterminado, los protocolos en WSNs se centran en
la conservación de energía.
Existen dos tipos de WSNs: estructuradas y no estructuradas. Una WSN no
estructurada consiste en una red de sensores que contiene una colección densa de
nodos, pudiendo ser desplegados de una manera aleatoria en el entorno. Una vez
desplegada, la red queda desatendida realizando las funciones para las que se
diseñó. En este tipo de WSN, tanto el mantenimiento de funciones de red como la
conectividad y fallos en la detección, es difícil debido a la gran cantidad de nodos
presentes. Por otro lado, en las WSNs estructuradas, todos o algunos de los nodos
son colocados en posiciones predefinidas. La ventaja de este tipo de redes es que
los nodos pueden ser desplegados con un menor coste de gestión y mantenimiento
de red. Además, se necesitan menos nodos en el despliegue ya que éstos se
colocan en posiciones específicas para proporcionar la cobertura deseada,
mientras que en despliegues aleatorios pueden quedar regiones sin cobertura.
El estado actual de las tecnologías sensoras permite el diseño y desarrollo
de diversidad de aplicaciones en WSNs. En el Apartado 8 se introducen los
fabricantes de tecnologías sensoras más representativos en la actualidad. Los
nodos sensores disponibles en el mercado incluyen nodos genéricos
(multipropósito) y nodos gateway (pasarelas). La tarea del nodo genérico es tomar
medidas del entorno monitorizado. Éste puede estar equipado con gran variedad
de dispositivos sensores que pueden medir múltiples atributos físicos como la luz,
la temperatura, la humedad, la presión barométrica, la velocidad, la aceleración, la
acústica, el campo magnético, etc. Los nodos gateway reúnen los datos
provenientes de los nodos genéricos y los transmiten a la estación base. Estos
nodos pueden tener una capacidad de procesamiento más alta, mayor fuente de
alimentación y mayor rango de transmisión. Un posible esquema con los
elementos involucrados en una WSN se muestra en la Figura 10. Generalmente,
para formar una WSN se despliega una combinación de nodos genéricos y
gateways. Además, la estación base es la encargada de establecer la comunicación
con redes externas, como por ejemplo Internet, posibilitando que una WSN sea
controlada de forma remota.
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Los aspectos involucrados en el diseño de aplicaciones en WSNs se pueden
clasificar, de forma general, en tres grupos como se muestra en la Figura 11 [20].
Nodo genérico
Nodo gateway
Estación base Otras
redes
Figura 10. Posible esquema de los elementos involucrados en una WSN.
Aplicaciones
Tecnología Sensora
Servicios
Localización
Cobertura
Seguridad
Sincronización
Agregación de datos
Optimización de capas
Protocolos de
Comunicación
Capa de Trasporte
Capa de Red
Capa de Enlace
Sistema
Plataforma Hardware
Sistema Operativo
Almacenamiento
Evaluación Rendimiento
Figura 11. Clasificación general de varios aspectos de una WSN.
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El primer grupo es el sistema. Cada nodo sensor puede considerarse como
un sistema individual. Dada la diversidad de aplicaciones existentes, es necesario el
desarrollo de nuevas plataformas, sistemas operativos y esquemas de
almacenamiento para los sistemas sensores. En el segundo grupo se engloban los
protocolos de comunicación, que permiten tanto la comunicación entre la
aplicación y los sensores, como entre los propios nodos de la red. En el último
grupo se incluyen los servicios, que son desarrollados para mejorar las aplicaciones,
el funcionamiento del sistema y la eficiencia de la red.
2 Tipos de Redes de Sensores Inalámbricas.
Las WSNs actuales pueden ser desplegadas sobre la superficie de la Tierra,
debajo de la superficie terrestre o bajo el agua. Dependiendo del entorno, una
WSN afronta desafíos y restricciones diferentes. Así, se distinguen cinco tipos de
WSNs: terrestres, subterráneas, submarinas, multimedia y móviles.
2.1 Redes de Sensores Terrestres.
Las WSNs terrestres consisten en varios cientos o unos miles de nodos
sensores de bajo coste, desplegados en un área dada de forma aleatoria o
predefinida. En despliegues aleatorios los nodos pueden ser arrojados desde un
avión sobre el área objetivo. En cambio, en un despliegue planificado, hay un
estudio previo de las localizaciones de los nodos.
En una WSN terrestre, la comunicación fiable en un entorno denso es muy
importante. Los nodos sensores deben ser capaces de transmitir los datos a la
estación base eficientemente. Aunque la energía de la batería es limitada y no
pueda ser recargada, los nodos podrían ser equipados con una fuente de
alimentación secundaria como son las células solares. En cualquier caso, es
importante para los nodos conservar energía y esto puede llevarse a la práctica con
un encaminamiento salto a salto óptimo de los datos, utilizando rangos de
transmisión cortos, agregando datos en la red, eliminado la redundancia en los
datos, minimizando retrasos y utilizando bajos ciclo de trabajo (duty cycle).
2.2 Redes de Sensores Subterráneas.
Las WSNs subterráneas consisten en el despliegue de nodos sensores
enterrados bajo la superficie de La Tierra o en una cueva o mina, utilizados para
monitorizar las condiciones subterráneas. Adicionalmente, los nodos gateway son
colocados sobre la superficie de la tierra para retransmitir la información de los
nodos a la estación base. Este tipo de redes es más cara que las terrestres en
términos de equipamiento, despliegue y mantenimiento. Los nodos subterráneos
son caros porque parte del equipamiento debe ser seleccionado adecuadamente
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para asegurar una comunicación fiable a través del suelo, rocas, agua, y cualquier
otro contenido mineral que se presente.
El entorno subterráneo compromete a la comunicación inalámbrica debido
a pérdidas de señal y los altos niveles de atenuación. A diferencia de las WSNs
terrestres, el despliegue de este tipo de redes requiere una planificación cuidadosa
y consideraciones de coste y energía adicionales. La energía es un aspecto
importante en WSNs subterráneas. Como ocurre con las WSNs terrestres, los
nodos subterráneos están equipados con una batería limitada y una vez
desplegados, es difícil de recargar o sustituir. Como antes, un objetivo clave es
conservar la energía para prolongar el tiempo de vida de la red, que se podrá llevar
a la práctica mediante el empleo de protocolos de comunicación eficientes.
2.3 Redes de Sensores Submarinas.
Las WSNs submarinas consisten en un número de nodos sensores y
vehículos desplegados bajo el agua, en el entorno de interés. Al contrario que las
WSNs terrestres, los nodos submarinos son más caros y se despliega un menor
número de ellos. Los vehículos autónomos submarinos se usan para la exploración
o recogida de datos de los nodos. Las comunicaciones inalámbricas típicas en este
entorno se establecen a través de ondas acústicas. Los retos en este tipo de
comunicaciones son el limitado ancho de banda, el elevado retraso de propagación
y los desvanecimientos de señal. Además, hay que tener en cuenta que
condiciones ambientales muy desfavorables pueden provocar que los nodos sean
más propensos a fallos. Los nodos submarinos deben ser capaces de configurarse
de forma automática y adaptarse al entorno hostil del océano. En cuanto al
aspecto energético, al igual que ocurre con los tipos de WSNs citados
anteriormente, estos nodos están equipados con una batería limitada que no
puede ser substituida o recargada. La conservación de energía en estas redes
implica comunicaciones submarinas y técnicas de encaminamiento de red
eficientes.
2.4 Redes de Sensores Multimedia.
Las WSNs multimedia han sido propuestas para permitir la monitorización y
detección de eventos en forma multimedia como el vídeo, audio, e imagen. Estas
redes consisten en el despliegue de un número de nodos sensores de bajo coste
equipados con cámaras y micrófonos, que se interconectan entre ellos mediante
conexiones inalámbricas para la recuperación, procesamiento, correlación y
compresión de datos.
Generalmente, los nodos multimedia se despliegan de una manera
planificada en el entorno para garantizar la cobertura requerida. Los retos en estas
redes incluyen la alta demanda de ancho de banda, el alto consumo energético, la
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calidad de servicio (QoS) proporcionada, técnicas de procesamiento y compresión
de datos y un diseño eficiente de la pila de protocolos. Contenido multimedia como
el de un flujo de vídeo, requiere de gran ancho de banda para ser transmitido. Por
consiguiente, altas tasas de datos conducen a un alto consumo energético y por
ello, tienen que desarrollarse técnicas de transmisión de gran ancho de banda y
bajo consumo de energía. Además, es importante mantener un nivel de QoS para
la entrega fiable del contenido multimedia. El procesamiento, filtrado y la
compresión pueden mejorar considerablemente el funcionamiento de red debido a
que se filtra y extrae la información redundante del contenido. Asimismo, un
diseño que tenga en cuenta la interacción entre las distintas capas de
comunicación puede mejorar el procesamiento de datos y la transmisión de
información.
2.5 Redes de Sensores Móviles.
Las WSNs móviles consisten en un conjunto de nodos sensores que pueden
moverse e interactuar con el entorno. Estos nodos tienen la capacidad de medir,
procesar y comunicar como los nodos estáticos de las redes citadas anteriormente.
Una diferencia clave es que estos nodos tienen la capacidad de recolocarse y
organizarse en la red. Por ello, estas redes pueden comenzar con algún despliegue
inicial y a partir de éste los nodos tienen la posibilidad de extenderse para reunir la
información deseada. Esta información puede ser comunicada entre nodos
únicamente cuando estén dentro del rango de cobertura conjunto. Otra diferencia
clave se encuentra en la distribución de datos. En una WSN estática, los datos
pueden ser distribuidos usando un encaminamiento fijo o mediante inundaciones,
mientras que en las WSNs móviles se usa un encaminamiento dinámico. Los retos
en este tipo de redes incluyen el despliegue, localización, organización automática,
navegación y control, cobertura, energía, mantenimiento y procesamiento de
datos.
3 Aplicaciones en Redes de Sensores Inalámbricas.
Las aplicaciones en WSNs se pueden clasificar de muy diversas formas, una
de ellas es la mostrada en la Figura 12 en la que se observa que las aplicaciones
pueden dividirse en dos categorías [20]: monitorización y seguimiento.
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Figura 12. Visión general de las aplicaciones en WSNs.
Las aplicaciones de monitorización incluyen: la monitorización ambiental en
entornos de interior y exterior, la de la salud y bienestar de las personas, la de
energía, la de ubicación de inventario, la automatización de procesos y sistemas de
producción, y la monitorización sísmica y estructural. Por otro lado las aplicaciones
de seguimiento engloban el seguimiento de objetos, animales, personas y
vehículos.
A continuación se describirán a modo de ejemplo algunas de las
innumerables aplicaciones en WSNs clasificadas dentro de las siguientes áreas:
militar, medioambiente, salud, industrial y comercial [21].
3.1 Aplicaciones militares.
Las WSNs pueden ser una parte integrante de sistemas de comando militar,
control, comunicaciones, informática, inteligencia, vigilancia, reconocimiento y
seguimiento. El despliegue rápido y las características de organización automática y
tolerancia a fallos en WSNs, hacen posible el desarrollo de estas aplicaciones.
Debido a que las WSNs están basadas en el despliegue denso de nodos
económicos, la destrucción de algunos nodos por acciones hostiles no afectará una
operación militar tanto como la destrucción de un sensor tradicional.
Algunas de las aplicaciones militares son la supervisión de fuerzas amigas,
equipos y municiones, la vigilancia en el campo de batalla, el reconocimiento de
terrenos y fuerzas enemigas, apuntamiento, evaluación de los daños en las batallas
WSN
Monitorización
Militar
Seguridad
Hábitat
Fauna
Negocio
Inventario
Industrial
Química Máquinas Fábricas
Salud
Pacientes
Medioambiente
Temperatura Presión, etc.
Seguimiento
Militar
Tropas enemigas
Hábitat
Fauna
Negocio
Personas
Industrial
Tráfico Vehículos
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y reconocimiento y detección de ataques nucleares, biológicos y de sustancias
químicas. A continuación se describen algunas de éstas.
� Vigilancia en el campo de batalla: terrenos críticos, rutas de acercamiento y
caminos pueden ser rápidamente cubiertos por nodos sensores para
controlar las actividades de las fuerzas enemigas. Conforme las
operaciones se desarrollan, se pueden desplegar nuevas redes de sensores
en cualquier momento para la vigilancia de los campos de batalla.
� Reconocimiento de terrenos y fuerzas enemigas: las WSNs pueden ser
desplegadas en terrenos críticos para que en pocos minutos, información
detallada y valiosa sobre las fuerzas y terrenos enemigos pueda ser
recogida antes de que pueda ser interceptada.
3.2 Aplicaciones medioambientales.
Las aplicaciones medioambientales incluyen la monitorización ambiental en
los contextos de tierra, mar y aire; la monitorización de las condiciones
ambientales que afectan a las cosechas y ganaderías, irrigación, macro
instrumentos para supervisión de la Tierra a gran escala y exploración planetaria,
detección química/biológica, agricultura de precisión, detección de fuego forestal,
investigación meteorológica o geofísica, detección de inundaciones, trazado de
mapas de ambiente y estudios de contaminación. A continuación, se describen
algunos ejemplos representativos.
� Control ambiental en edificios de oficinas: el aire acondicionado y la
calefacción de la mayoría de los edificios son controlados de forma
centralizada. Por lo tanto, la temperatura dentro de una habitación puede
variar unos grados de una esquina a otra; esto es debido a que el flujo de
aire del sistema centralizado no es uniformemente distribuido. Una WSN
distribuida puede ser instalada para controlar el flujo de aire y la
temperatura en diferentes partes de la habitación. Es conocido que dicha
tecnología distribuida puede reducir el consumo de energía de forma muy
sensible, con el consiguiente ahorro económico.
� Detección de fuego forestal: dado que los nodos sensores pueden ser
densamente desplegados al azar en un bosque, los nodos pueden informar
del origen exacto del fuego a los usuarios antes de que el fuego se extienda
de forma descontrolada. También, los nodos pueden ser equipados con
sistemas de alimentación sofisticados, como células solares, ya que los
sensores pueden permanecer desatendidos durante meses e incluso años.
Éstos colaborarán entre sí para trabajar de forma distribuida, evitando así
el efecto producido por los obstáculos, tales como árboles y rocas.
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3.3 Aplicaciones en la salud.
Algunas de las aplicaciones de las WSNs en el área de la salud engloban la
monitorización de datos humanos fisiológicos, interfaces para minusválidos,
monitorización integrada del paciente, diagnósticos, administración de medicinas
en hospitales, supervisión de movimientos y procesos internos en insectos u otros
pequeños animales y doctores que supervisan a pacientes de forma remota. Por su
importancia se describe la primera de ellas:
� Monitorización de datos humanos fisiológicos: los datos fisiológicos
recogidos por una WSN pueden ser usados para la exploración médica y ser
almacenados durante un largo período de tiempo. Las WSNs también
pueden monitorizar y detectar el comportamiento de personas de la
tercera edad, por ejemplo, una caída sufrida por un anciano.
Estos pequeños nodos permiten una mayor libertad de movimiento para los
pacientes y a los doctores les permite identificar síntomas predefinidos con
antelación, por lo que proporcionan una mayor calidad de vida al paciente en
comparación con los centros de tratamiento.
3.4 Aplicaciones industriales y comerciales.
Algunas de las aplicaciones industriales engloban la monitorización de la
resistencia de materiales, el pedido de inventario, la supervisión de calidad del
producto, la construcción de espacios inteligentes de oficina, control de robots y
guías en ambientes automáticos de fabricación, juguetes y museos interactivos,
control de procesos de fabricación y automatización, monitorización de zonas de
desastre, estructuras inteligentes con nodos integrados, diagnóstico de máquinas,
transporte, instrumentación de fábrica, control local de actuadores, detección y
monitorización de robos de coches, seguimiento de vehículos y su localización e
instrumentación de las cámaras de semiconductores, máquinas rotativas, túneles
de viento y cámaras anecoicas. A continuación, se describen algunos ejemplos
representativos.
� Control de inventario: cada artículo en un almacén puede tener un nodo
conectado. Los usuarios finales pueden averiguar la ubicación exacta del
artículo y encontrar el número de artículos de la misma categoría. Si los
usuarios finales quieren insertar nuevas existencias, todo lo que los
usuarios tienen que hacer es adjuntar los nodos necesarios a éstos.
� Detección de vehículos y su seguimiento: existen dos acercamientos para
detectar y seguir vehículos: una solución consiste en determinar la línea de
dirección de movimiento del vehículo en la zona de los racimos de sensores
y enviar luego esta información a la estación base, y como alternativa, los
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datos brutos pueden ser recogidos por los nodos y ser enviados a la
estación base para determinar la ubicación del vehículo.
� Museos interactivos: en el futuro, los niños serán capaces de actuar con
objetos en museos para aprender más sobre ellos. Estos objetos serán
capaces de responder al tacto y a comandos vocales. También será posible
participar en experimentos de tiempo real de causa/efecto que instruirán
sobre ciencia y medioambiente. Además, las WSNs pueden proporcionar
guía y localización dentro de un museo.
3.5 Temas abiertos de investigación.
Las aplicaciones implementadas proporcionan algunos atributos claves que
determinan el potencial de las WSNs. Aplicaciones en áreas tan diversas como las
citadas anteriormente tienen características y requerimientos específicos. Esta
situación junto con la tecnología desarrollada en la actualidad conduce a la
aparición de plataformas hardware y software específicas para cada aplicación.
Diversas plataformas hardware y tecnologías han sido desarrolladas durante los
últimos años; sin embargo, hace falta más trabajo experimental para hacer estas
aplicaciones más fiables y robustas en un entorno real.
Las WSNs tienen el potencial para mejorar y cambiar el modo en que la
gente interactúa con la tecnología y el mundo. La dirección de futuro en WSNs está
en la identificación del negocio y necesidades de la industria. La aplicación de la
tecnología sensora al área de la industria mejorará los procesos de negocio y abrirá
nuevos problemas en la comunidad investigadora. Las interacciones entre la
investigación y el desarrollo son indispensables para acortar el hueco existente
entre la tecnología y el desarrollo de soluciones de negocio.
4 Factores influyentes en el diseño de una Red de Sensores Inalámbrica.
El diseño de una WSN está bajo la influencia de muchos factores, como son
la tolerancia a fallos, la escalabilidad, los costes de producción, el entorno de
operación, la topología de red, las restricciones hardware, el medio de transmisión
y el consumo de energía. A continuación se hará un estudio de todos estos factores
que será de vital importancia para el diseño de protocolos o algoritmos para WSNs.
Además, estos factores se pueden usar para comparar diferentes esquemas de
diseño [22].
4.1 Tolerancia a fallos.
Algunos nodos sensores pueden fallar o bloquearse debido a la carencia de
energía, tener daños físicos o sufrir interferencias en sus comunicaciones. El fallo
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de nodos individuales no debería afectar a la tarea global de la WSN. La tolerancia
a fallos es la capacidad de mantener las funcionalidades de la red sin
interrupciones debido a fallos de nodos individuales. La fiabilidad ����� o la
tolerancia a fallos de un nodo, puede ser modelada con la distribución Exponencial
para hallar la probabilidad de no sufrir un fallo dentro de un intervalo de tiempo
(0,��):
����� � �������� [X]
Donde �� y � son la tasa de fallo del nodo y el periodo de tiempo,
respectivamente.
Nótese que los protocolos y algoritmos se pueden diseñar con un nivel de
tolerancia a fallos distinto para cada aplicación específica. Si el entorno en el que
los nodos se encuentran desplegados no existe interferencia apreciable, entonces
los protocolos pueden ser menos estrictos. Por ejemplo, si los nodos son
desplegados en una vivienda para monitorizar la humedad y temperatura de la
misma, la exigencia de tolerancia a fallos es baja, ya que esta clase de redes no es
dañada fácilmente ni interferida por el ruido ambiental. Por otra parte, si los nodos
son desplegados en un campo de batalla para la vigilancia y la detección, entonces
la tolerancia a fallos tiene que ser alta porque los datos recogidos son críticos y los
nodos pueden ser destruidos por acciones hostiles. Como conclusión, se puede
decir que el nivel de tolerancia a fallos depende de la aplicación de la WSN y el
diseño debe tener esta característica siempre presente.
4.2 Escalabilidad.
El número de nodos desplegados en el fenómeno bajo estudio puede ser
del orden de cientos, miles e incluso, en aplicaciones muy concretas, millones. Los
nuevos esquemas deben ser capaces de trabajar con este número de nodos y
utilizar la alta densidad presente. La densidad puede ser calculada según [22]
como:
���� � ��������� [XI]
Donde � es el número de nodos dispersos en la región � y � es el rango de
transmisión radio de un nodo. Básicamente, ���� proporciona el número de nodos
dentro del radio de transmisión de cada nodo en la región �. En definitiva, la
densidad de nodos necesaria depende de la aplicación a la que los nodos son
destinados.
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4.3 Costes de producción.
Dado que las WSNs consisten en un número grande de nodos sensores, el
coste de un nodo es muy importante para justificar el coste total de la red. Si el
coste de la red es superior al despliegue de sensores tradicionales, entonces la
WSN no está justificada en cuanto a su coste. Por consiguiente, el coste de cada
nodo tiene que ser muy bajo.
El estado actual de la tecnología, permite a un equipo radio Bluetooth
tener un coste menor de diez euros. En comparación, el coste de un nodo sensor
debería ser inferior a un euro para que la WSN sea factible. El coste de un equipo
radio Bluetooth, que es conocido por ser un dispositivo de bajo coste, es diez veces
superior al precio objetivo de un nodo sensor. Sin embargo, un nodo sensor está
compuesto por elementos adicionales, tales como sensores integrados o unidades
de procesamiento de datos, lo cual se verá más adelante. Por consiguiente, el coste
de un nodo es una restricción importante dada la cantidad de funcionalidades
requeridas y el precio tan bajo necesario.
4.4 Restricciones hardware.
Un nodo sensor está compuesto por cuatro componentes básicos, tal y
como se muestra en la Figura 13: una unidad sensora, una unidad de
procesamiento, una unidad transceptora y una unidad de alimentación o energía.
Opcionalmente, también podría estar provisto de otros componentes adicionales
dependiendo de la aplicación en concreto, como un sistema posicionamiento, un
generador de energía o un movilizador.
Generador de energía
Sensor ADC Procesador
Memoria
Transceptor
Unidad de energía
Sistema de localización Movilizador
Unidad Sensora Unidad de procesamiento
Figura 13. Componentes de un nodo sensor.
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La unidad sensora, por lo general, está compuesta por dos subunidades: un
conjunto de sensores y un convertidor analógico digital (ADC). Las señales
analógicas producidas por los sensores, basadas en el fenómeno observado, son
convertidas en señales digitales por el convertidor ADC y, posteriormente,
analizadas en la unidad de procesamiento. La unidad de procesamiento, que
normalmente lleva asociada una pequeña unidad de almacenamiento, es la que
maneja los procedimientos que permiten al nodo colaborar con otros nodos para
realizar las tareas asignadas a la WSN. Por otro lado, la unidad transceptora es la
que conecta inalámbricamente el nodo a la red. Y por último, uno de los
componentes más importantes de un nodo es la unidad de alimentación, que es la
encargada de suministrar la energía necesaria para el correcto funcionamiento del
nodo sensor.
Existen también otras unidades cuya utilización depende de la aplicación en
concreto. La mayoría de las aplicaciones requieren del conocimiento de la
localización con cierta precisión, por lo que puede ser necesario que un nodo
contenga una unidad de localización. Este elemento puede llegar a ser
imprescindible si los nodos se despliegan aleatoriamente. Si bien a menudo se
equipan a los nodos con receptores GPS para cumplir esta función, esta solución
además de ser costosa y aumentar el tamaño de forma considerable, no funciona
correctamente en entornos de interior, por lo que se han propuesto otras
alternativas como las citadas en el Capítulo 2 de este proyecto.
Además, a veces puede ser también necesario un movilizador para
desplazar los nodos cuando se requiere llevar a cabo determinadas tareas.
Todas estas unidades tienen que encajar en un módulo de reducidas
dimensiones, que puede llegar a ser del orden de un centímetro cúbico. Además
del tamaño, existen otras restricciones para los nodos. Los nodos deben:
� Requerir poca energía.
� Funcionar en despliegues con alta densidad de nodos.
� Tener un coste de producción bajo y ser prescindibles.
� Ser autónomos y funcionar de forma desatendida.
� Ser adaptables al entorno.
Ya que los nodos son a menudo inaccesibles, la vida útil de una WSN
depende de la duración de los recursos energéticos de los nodos. Teniendo en
cuenta que el tamaño de éstos es limitado, el almacenamiento de energía se ve
directamente afectado y, por tanto, en aplicaciones que requieren un tiempo de
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vida mayor de la WSN es necesario buscar alternativas, tales como incluir
componentes que recojan energía del entorno para hacer al nodo autónomo. Esto
es posible por ejemplo, incluyendo células solares en el nodo sensor.
La unidad transceptora del nodo normalmente es un dispositivo de
radiofrecuencia (RF), frente a la tecnología óptica e infrarrojos que emplean otras
soluciones. Las comunicaciones de RF requieren de modulación, banda de paso,
filtrado, circuito de demodulación y multiplexión, lo que encarece a los nodos y los
hace más complejos. Además, la pérdida de propagación de la señal transmitida
entre dos nodos puede llegar a ser proporcional a la cuarta potencia de la distancia
entre ellos, si las antenas de los nodos están próximas al suelo. Sin embargo, la
comunicación de RF es preferida en la mayor parte de los proyectos de
investigación en WSNs actuales porque el tamaño de los paquetes presentes en las
comunicaciones es pequeño, las tasas de datos son bajas y la reutilización de
frecuencias es alta debido a las cortas distancias de comunicación. Estas
características posibilitan el uso en WSNs de bajos ciclos de trabajo3 de
radiofrecuencia. No obstante, el diseño con eficiencia energética y la consecución
de ciclos de trabajo RF bajos es todavía un reto. Asimismo, las tecnologías radio
comerciales como las usadas en Bluetooth no son lo suficientemente eficientes
para WSNs ya que únicamente durante el encendido y el apagado se consume
mucha energía.
Aunque los microprocesadores se fabriquen cada vez con menor tamaño,
tanto éstos como las unidades de memoria de los nodos son recursos limitados que
afortunadamente, están resolviendo los recientes avances en electrónica.
4.5 Topología de la red.
El número de nodos inaccesibles y desatendidos que son propensos a fallos,
así como la alta densidad de éstos que normalmente tiene lugar en los despliegues,
convierten el mantenimiento de la topología en una tarea difícil. A continuación, se
examinan las cuestiones relacionadas con el mantenimiento y cambio de la
topología en tres fases:
� Fase previa y de despliegue: los nodos pueden ser desplegados en masa o
bien colocarse uno por uno en el área objetivo. De este modo, pueden
lanzarse desde un avión, ser entregados en una cáscara de artillería, cohete
o misil, o simplemente ser ubicados uno a uno por una persona o un robot.
Aunque el número de sensores y su despliegue desatendido evite, por lo
general, colocarlos según un plan de despliegue cuidadoso, los esquemas
3 Un nodo sensor podría apagar su transceptor radio periódicamente para ahorrar energía y encenderlo
para participar en la tarea para la que la WSN está destinada.
CAPÍTULO 4. ENTORNO DE TRABAJO
49
para la ubicación inicial deben reducir el coste de instalación, eliminar la
necesidad de cualquier organización y planificación previa, aumentar la
flexibilidad de arreglo y promover la tolerancia a fallos y la organización
automática.
� Fase posterior al despliegue: después del despliegue, los cambios de
topología son debidos a cambios de posición en los nodos, accesibilidad
(debido a congestión, ruido, movimiento de obstáculos, etc.), energía
disponible, mal funcionamiento y otros detalles.
� Fase de despliegue de nodos adicionales: en cualquier momento pueden
utilizarse nuevos nodos para sustituir a otros que funcionan
incorrectamente o debido a cambios en la funcionalidad de la red. La
adición de nuevos nodos plantea la necesidad de reorganizar la red.
Enfrentarse a cambios frecuentes de topología en una WSN con gran
número de nodos y restricciones de consumo energético muy rigurosas,
requiere de protocolos de encaminamiento especiales.
4.6 Entorno.
Los nodos de una WSN son, en general, desplegados de forma densa muy
cerca o directamente sobre el fenómeno objetivo. Las WSNs pueden operar en
entornos tan diversos como en intersecciones muy transitadas, en el interior de
una maquinaria de grandes dimensiones, en el fondo de un océano, dentro de un
tornado, en un terreno biológicamente o químicamente contaminado, en un
campo de batalla, en un edificio o almacén de grandes dimensiones, conectado a
animales o a vehículos rápidos y en un desagüe o río.
Esta lista nos da una idea sobre bajo qué condiciones se espera que los
nodos trabajen. Así, éstos pueden trabajar bajo una alta presión en el fondo de un
océano, en entornos ásperos como en ruinas o en campos de batalla, bajo el calor
y frío extremos como en el inyector de un motor de avión o en regiones árticas, y
en un ambiente sumamente ruidoso bajo interferencias intencionadas. Por
consiguiente, se debe adaptar el diseño al entorno particular.
4.7 Medio de transmisión.
En una WSN, los nodos se comunican utilizando enlaces inalámbricos. Estos
enlaces pueden ser de radiofrecuencia (RF), infrarrojos u ópticos. Los transmisores
ópticos consumen menos energía que los de RF y proporcionan seguridad, pero
requieren de línea de visión directa entre transmisor y receptor y, además, son
sensibles a las condiciones atmosféricas. Los transmisores de infrarrojos, no
necesitan de antenas de grandes dimensiones, pero están limitados por su
capacidad de difusión. La tecnología RF es la más fácil de usar, pero requiere de
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
50
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
antena. En definitiva, las comunicaciones RF son las más comunes en aplicaciones
de WSNs y por ello el estudio se centrará en esta tecnología.
Para permitir la operación global de estas redes, el medio de transmisión
escogido debe estar disponible mundialmente. Una opción para enlaces radio es el
empleo de la banda Industrial, Científica y Médica (ISM), que ofrece comunicación
sin licencia en la mayoría de los países. En la Tabla 1 se especifican, para el caso
particular de España, las bandas de frecuencias recogidas en el artículo 5 del
Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) de la ITU [38], que pueden ponerse a
disposición de las aplicaciones ICM.
Banda de frecuencia Frecuencia central
6765-6795 kHz 6780 kHz
13553-13567 kHz 13560 kHz
26957-27283 kHz 27120 kHz
40.66-40.70 MHz 40.68 MHz
2400-2500 MHz 2450 MHz
5725-5875 MHz 5800 MHz
24-24.25 GHz 24.125 GHz
61-61.5 GHz 61.25 GHz
122-123 GHz 122.5 GHz
244-246 GHz 245 GHz Tabla 1. Bandas de frecuencia disponibles para aplicaciones ISM en España.
Algunas de estas bandas de frecuencias están siendo ya utilizadas en
sistemas de telefonía inalámbricos y en redes inalámbricas de área local (WLANs).
Para las WSNs se requieren transceptores de pequeñas dimensiones, bajo coste y
de muy baja potencia de transmisión. Las restricciones hardware y el compromiso
entre eficiencia de antena y consumo energético hicieron que el estándar IEEE
802.15.4 [25] emplease las bandas de 2,4 Ghz (global), 915 Mhz (EEUU) y 868 Mhz
(Europa) en las comunicaciones. Las ventajas principales de usar las bandas ISM
son la libertad de transmisión radio en esas bandas, la enorme asignación de
espectro y la disponibilidad global. Estas bandas no están destinadas a un estándar
en particular, lo que permite la implementación práctica de estrategias de bajo
consumo energético en WSNs. Sin embargo, existen varias reglas y restricciones,
como son las limitaciones de potencia emitida y la posibilidad de interferir con
aplicaciones existentes. Estas bandas de frecuencias también son conocidas en la
literatura como frecuencias sin licencia.
De forma adicional, los requerimientos para aplicaciones no usuales
complican la elección del medio de transmisión. Por ejemplo, las aplicaciones
marinas pueden requerir el empleo del medio de transmisión acuoso. Aquí, lo ideal
sería usar una portadora de longitud de onda larga para que pueda penetrar en la
superficie del agua. Por otro lado, en aplicaciones militares se podrían encontrar
CAPÍTULO 4. ENTORNO DE TRABAJO
51
canales propensos a errores o con grandes interferencias. Además, la antena de un
nodo no podría tener la altura y la potencia de emisión requeridas para estas
aplicaciones en otros dispositivos inalámbricos. De ahí que la elección del medio de
transmisión debe estar acompañada por una codificación robusta y esquemas de
modulación adecuados que modelen eficientemente estas características
particulares.
4.8 Energía consumida.
Un nodo sensor, siendo un dispositivo electrónico de pequeñas
dimensiones, sólo puede estar equipado con una fuente de alimentación limitada.
En algunas aplicaciones, la sustitución de baterías puede tornarse imposible, por lo
que el tiempo de vida útil de un nodo presenta una fuerte dependencia con la
duración de su batería. En una WSN, cada nodo tiene una función doble, por un
lado como fuente de los datos, y por otro, como encaminador de datos
procedentes de otros nodos. De ahí que el mal funcionamiento de unos pocos de
nodos, como se comentó anteriormente, pueda causar cambios significativos en la
topología e incluso requiera el cambio de rutas de los paquetes y la reorganización
de la red. Es por ello que la conservación y gestión de la energía toman gran
importancia, provocando que el diseño se enfoque en protocolos y algoritmos
energéticamente eficientes.
En otras redes, la potencia consumida ha sido un factor de diseño
importante, pero no fundamental, simplemente porque los recursos energéticos
pueden ser sustituidos por el usuario y, por lo tanto, el diseño se centra más en la
calidad de servicio (QoS) proporcionada que en la eficiencia energética. En WSNs
sin embargo, la eficacia energética es una característica fundamental que influye
directamente en el tiempo de vida de la red. Pueden diseñarse protocolos de bajo
consumo específicos, pero se debe tener siempre en cuenta otros factores como el
retardo en las comunicaciones y la tasa de transmisión.
La tarea principal de un nodo desplegado sobre el entorno bajo estudio es
detectar eventos, realizar localmente un procesado rápido de datos y luego
transmitirlos. Por tanto, el consumo de energía se puede dividir en tres dominios:
sensado, procesado de datos y comunicación.
La unidad de sensora y sus componentes fueron presentados en el
Apartado 4.4. La energía utilizada en el sensado varía según la naturaleza de la
aplicación. Así, las medidas esporádicas consumirán menos energía que una
monitorización continua. Además, niveles altos de ruido podrían causar una
degradación significativa y aumentar la complejidad del algoritmo de detección,
provocando un mayor gasto energético.
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
52
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
De los tres dominios, un nodo sensor gasta más energía en el proceso de
comunicación de datos. Esto implica tanto transmisión como recepción de datos.
Se puede demostrar que para comunicaciones de corto rango con baja potencia de
emisión (∼0 dbm), el gasto de energía en la transmisión y recepción es
prácticamente el mismo. Además, mezcladores, sintetizadores de frecuencia,
osciladores controlados por tensión (VCO), circuitos PLL (Phase Locked Loop) y
amplificadores de potencia, consumen potencia útil en el circuito del transceptor.
Es importante que en este cómputo no sólo consideremos la potencia consumida
en activo, sino también el consumo de energía de encendido del circuito
transceptor. El tiempo de encendido, que es del orden de 100 microsegundos, hace
que la potencia de encendido no sea insignificante. Este alto valor puede ser
atribuido al tiempo de enganche del PLL. Conforme el tamaño del paquete de
datos se reduce, el consumo de energía de encendido comienza a dominar sobre el
consumo en activo. Por consiguiente, es ineficaz encender y apagar el transceptor
en repetidas ocasiones debido a la cantidad de energía consumida cada vez que se
activa el transceptor. Por ello, dado que las WSNs utilizan paquetes de datos
cortos, sería ineficiente apagar el transceptor cada vez que se transmita un
paquete.
En cuanto a la energía requerida en el procesado de datos, hay que decir
que es mucho menor comparada con la necesaria en el proceso de comunicación.
De ahí, que sea crucial el procesado de datos local para reducir al mínimo el
consumo de energía en una WSN.
Algunas de las técnicas empleadas para minimizar el consumo de energía en
el procesado de datos incluyen reducir el voltaje de alimentación y disminuir la
frecuencia de trabajo del microprocesador durante periodos de baja actividad.
Reducir el voltaje de alimentación es un método muy eficaz para reducir el
consumo de energía en el estado activo. Por otro lado, cuando un microprocesador
maneja una carga computacional que varía con el tiempo, reducir la frecuencia de
trabajo durante los períodos de actividad reducida causa igualmente una
disminución del consumo de energía. A su vez, esto compromete el rendimiento
del procesador. Ahorros de energía significativos pueden provocar que el
rendimiento máximo no sea siempre el deseado y por lo tanto, el voltaje de
alimentación y la frecuencia de trabajo deben ser adaptadas a las exigencias de
procesamiento en cada momento.
Nótese que puede haber algún circuito adicional para la codificación y
decodificación de datos. Los circuitos integrados específicos de aplicación (ASICs)
también se pueden utilizar en algunos casos. En todos estos escenarios, el diseño
de algoritmos y protocolos para WSNs está bajo la influencia del consumo
energético, así como de aquellos factores que han sido expuestos con anterioridad.
CAPÍTULO 4. ENTORNO DE TRABAJO
53
5 Sistema.
Para que un nodo sensor funcione correctamente en una WSN, hay varias
cuestiones internas que deben ser abordadas a través de la plataforma hardware y
el sistema operativo (OS). A continuación, se introducen los estándares existentes,
el aspecto del almacenamiento y los bancos de pruebas.
5.1 Plataforma hardware y Sistema Operativo.
Las plataformas hardware actuales en WSNs han sido construidas para
soportar una amplia gama de sensores. Los productos comerciales que incluyen
sensores y los propios nodos sensores tienen diferentes componentes radio,
procesadores y unidades de almacenamiento. Por ello, integrar múltiples sensores
en una plataforma es una tarea difícil ya que el hardware del sensor es diferente y
el procesado de datos brutos puede ser un problema con recursos limitados en el
nodo.
La mayoría de los nodos actuales emplean microcontroladores RISC de bajo
coste con una memoria de programa y datos de capacidad reducida
(aproximadamente de 100 KB). Además, puede ser añadida una memoria flash
externa con tiempos de acceso grandes para proporcionar almacenamiento
secundario y aliviar así las restricciones de tamaño impuestas por el chip de
memoria. Los buses de entrada/salida y dispositivos integrados incluyen líneas
serie como el Transmisor Receptor Universal Asincrónico (UART), convertidores
analógicos digitales y temporizadores.
En el diseño del equipamiento de los nodos de elementos sensores se han
seguido dos aproximaciones diferentes. La más general y expandida ha sido la
propuesta por el fabricante Crossbow [37] y consiste en el desarrollo de placas
sensoras que pueden ser montadas (y posiblemente apiladas unas sobre otras) a
través de un bus de expansión sobre la placa principal que contiene la unidad de
procesamiento y el transceptor. Una placa sensora típica de Crossbow contiene
sensores de temperatura, luz, aceleración y presión barométrica. Existen diferentes
versiones de las mismas, incluyendo placas especiales que en lugar de contener
sensores, proveen conectores de entrada y salida para poder conectar otros
sensores comerciales. La otra aproximación consiste en incluir los elementos
sensores en la placa principal. De esta manera, aunque el diseño general se ve
afectado y se limitan las aplicaciones de los nodos, este tipo de diseño puede
reducir el coste de producción y ser más robusto ante entornos hostiles que
puedan provocar la separación entre placas pertenecientes a un mismo nodo.
Por otro lado, los nodos sensores disponibles emplean dos tipos de
transceptores. El más simple (y más barato) ofrece un protocolo MAC básico, opera
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
54
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
en banda libre (315/433/868/916 MHz) y utiliza una tasa de datos en el rango de
20-50 Kbps. Los modelos más nuevos soportan el estándar 802.15.4 y operan en la
banda de 2.4 GHz ofreciendo una tasa de datos de 250 Kbps. Estos últimos ofrecen
la posibilidad de usar una antena integrada que hace a los nodos más manejables.
El rango de transmisión varía con un máximo de aproximadamente 300 m
(exterior) para el primer tipo de transceptor y 125 m para los transceptores
basados en el estándar 802.15.4.
En cuanto a la alimentación de los nodos, éstos están equipados con
baterías y la mayoría utilizan un par de pilas del tipo AA. El tamaño de la batería,
por lo general, determina el tamaño del sensor, ya que el tamaño del hardware es
aproximadamente de unos pocos centímetros cúbicos. Una excepción es la
presentada por los nodos mica2dot fabricados por Crossbow [37] que emplean
baterías de botón, a pesar de que esto provoca que los nodos estén más limitados
energéticamente que los nodos de mayores dimensiones. En esta línea, los
estudios deben enfocar en el diseño de nodos con unidades de captación de
energía para que complementen a las baterías. Un ejemplo de ello podría ser el
empleo de células solares. El problema radica en que la efectividad de estas
soluciones presenta un alto grado de dependencia con el entorno monitorizado.
Por ejemplo, en entornos de interior o en despliegues subterráneos, el empleo de
células solares no es efectivo.
Finalmente, tanto las aplicaciones como el sistema operativo deben estar
diseñados para soportar la plataforma específica del nodo sensor. La investigación
en este área implica el diseño de plataformas que soporten la gestión automática,
optimización del tiempo de vida de la red y programación distribuida.
5.2 Estándares.
Los estándares para este tipo de redes han sido desarrollados con el
requisito clave de un diseño de bajo consumo energético. Los estándares definen
las funciones y protocolos necesarios para que los nodos sensores puedan
interactuar con una variedad de redes. Algunos de estos estándares son el IEEE
802.15.4, ZigBee, WirelessHART, ISA100.11, IETF 6low-PAN, IEEE 802.15.3 y
Wibree. A continuación se introducen estos estándares.
5.2.1 IEEE 802.15.4.
El IEEE 802.15.4 [25] es el estándar propuesto para la capa física y MAC en
redes de área personal inalámbrica de baja tasa (LR-WPANs). Este estándar se
centra en despliegues de bajo coste, complejidad y consumo energético. Además,
está diseñado para aplicaciones en WSNs que requieren de comunicaciones de
corto rango para maximizar la duración de las baterías.
CAPÍTULO 4. ENTORNO DE TRABAJO
55
La capa física soporta tres bandas de frecuencias: una en 2450 Mhz, con 16
canales; otra en 915 Mhz, con 10 canales; y una última en 868 Mhz, con tan sólo un
canal. Todas ellas emplean técnicas de espectro ensanchado, en concreto, la DSSS
(Direct Squence Spread Spectrum). Además, mientras que en la banda de 2450
Mhz se utiliza la modulación O-QPSK, en las otras dos se emplea la BPSK.
El estándar permite la formación de topologías de estrella y malla para la
comunicación entre los dispositivos de red. Los dispositivos en la topología de
estrella se comunican con un nodo coordinador central, mientras que en la
topología mallada se pueden formar redes ad hoc de configuración automática.
La capa MAC controla el acceso al canal radio usando el mecanismo CSMA-
CA. Esta capa es también responsable de validar y entregar tramas, hacer de
interfaz de red, sincronización de red, asociación de dispositivos y servicios
seguros. Las aplicaciones de WSNs que usan el estándar IEEE 802.15.4 engloban
áreas como la monitorización residencial, industrial y medioambiental, el control y
la automatización.
5.2.2 Zigbee.
ZigBee [26] define los protocolos de comunicación de las capas altas sobre
el estándar IEEE 802.15.4 para LR-WPANs. ZigBee es una tecnología de
comunicación inalámbrica simple, de bajo coste y bajo consumo energético,
empleada en aplicaciones empotradas.
Los dispositivos ZigBee pueden formar redes con topología en malla que
conectan desde cientos a unos miles de dispositivos. Además, éstos requieren muy
poca energía y pueden funcionar con pequeñas baterías durante muchos años. Hay
tres tipos de dispositivos ZigBee: el coordinador (Zigbee coordinator), el
encaminador (Zigbee Router) y el dispositivo final (Zigbee end device). El
coordinador es el que inicia la formación de red, almacena la información y puede
hacer de puente entre redes. El encaminador une grupos de dispositivos y
proporciona comunicación salto a salto (multi-hop) a través de los dispositivos. Los
dispositivos finales consisten en sensores, actuadores y controladores que recogen
datos y se comunican sólo con el encaminador o el coordinador. El estándar ZigBee
está disponible públicamente desde junio de 2005.
5.2.3 WirelessHART.
El estándar WirelessHART [27] proporciona un protocolo de comunicación
de red inalámbrico para aplicaciones de medida de procesos y de control. El
estándar está basado en el IEEE 802.15.4 para la operación a baja potencia en 2.4
GHz.
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
56
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
WirelessHART es compatible con todos los dispositivos existentes,
herramientas y sistemas; es fiable, seguro y eficiente energéticamente. Soporta
topologías malladas, salto de canal (channel hopping) y sincronización de
mensajes. La comunicación de red es segura con el cifrado, verificación,
autenticación y gestión. Las opciones de gestión de energía permiten a los
dispositivos inalámbricos ser más eficientes. WirelessHART está diseñado para
soportar topologías de red en malla, estrella y combinaciones de ellas. Una red
WirelessHART se compone de dispositivos finales inalámbricos, pasarelas, el
controlador de proceso, aplicaciones y el gerente de red. Los dispositivos
inalámbricos finales se conectan al equipamiento de planta o al proceso; los
dispositivos gateways permiten la comunicación entre los dispositivos finales
inalámbricos y las aplicaciones; el controlador de proceso sirve como controlador
de proceso continuo y el gestor de red configura la red y planifica la comunicación
entre los dispositivos. Además, maneja el tráfico y encaminamiento de red. El
gestor de red puede ser integrado en el gateway, en la aplicación o en el
controlador de proceso. El estándar WirelessHART fue liberado a la industria en
septiembre de 2007 y se planificó que estaría disponible en productos comerciales
a finales de 2008.
5.2.4 ISA100.11a.
El estándar ISA100.11a [28] está diseñado para aplicaciones de
monitorización y procesos de automatización de baja tasa de datos. Define las
especificaciones para las capas OSI de seguridad y gestión. El estándar se centra en
un consumo de energía bajo, escalabilidad, infraestructura, robustez e
interoperabilidad con otros dispositivos inalámbricos. Las redes ISA100.11a usan la
banda de 2.4 GHz y salto de canal (channel hopping) para aumentar la fiabilidad y
reducir al mínimo las interferencias. Soporta topología en malla y en estrella.
ISA100.11a también proporciona funcionalidad de seguridad simple, flexible y
escalable.
5.2.5 6LoWPAN.
IPv6-based Low Power Wireless Personal Area Networks [29] permite la
comunicación de paquetes IPv6 sobre una red basada en el estándar IEEE 802.15.4.
Los dispositivos de bajo consumo se pueden comunicar directamente con
dispositivos IP utilizando el protocolo IP. Usando 6LoWPAN, los dispositivos de bajo
coste tienen todas las ventajas de comunicación y gestión IP.
El estándar proporciona una capa de adaptación, nuevo formato de
paquete y gestión de direccionamiento. Como el tamaño de paquete IPv6 es
mucho más grande que el tamaño de la trama IEEE 802.15.4 es necesaria una capa
de adaptación. La capa de adaptación lleva a cabo la funcionalidad de compresión
de cabeceras. Con la compresión de cabeceras, se crean paquetes de menor
CAPÍTULO 4. ENTORNO DE TRABAJO
57
tamaño que encajan en una trama IEEE 802.15.4. El mecanismo de gestión de
direcciones se encarga de la formación de direcciones de dispositivo para la
comunicación. 6LoWPAN está diseñado para aplicaciones en las que los
dispositivos requieren conexión a Internet.
5.2.6 IEEE 802.15.3.
El estándar IEEE 802.15.3 [30] define la capa física (PHY) y la de control de
acceso al medio (MAC) para redes de área personal inalámbrica (WPAN) de alta
tasa de datos. Está diseñado para soportar flujos multimedia de vídeo y audio en
tiempo real. IEEE 802.15.3 opera en la banda de 2.4 GHz con tasas de datos que
oscilan entre los 11 Mbps y 55 Mbps. El estándar utiliza acceso múltiple por
división en el tiempo (TDMA) para asegurar la calidad de servicio. Soporta tanto la
transferencia de datos síncrona como asíncrona y controla el consumo de energía,
la adaptación de tasa de datos y la frecuencia. El estándar se utiliza en dispositivos
como altavoces inalámbricos, dispositivos portátiles de vídeo, teléfonos
inalámbricos, impresoras y televisiones.
5.2.7 Wibree.
Wibree [31] es una tecnología de comunicación inalámbrica diseñada para
dispositivos de bajo coste, bajo consumo energético y comunicación de corto
rango. Wibree permite la comunicación entre dispositivos alimentados con baterías
de pequeñas dimensiones y dispositivos Bluetooth. Los dispositivos alimentados
con pequeñas baterías incluyen relojes, teclados inalámbricos y sensores que se
conectan a dispositivos como ordenadores personales o teléfonos celulares.
Wibree funciona en la banda de 2.4 GHz con una tasa de datos de 1 Mbps. La
distancia de enlace entre dispositivos es de 5-10 m. Wibree está diseñado para
trabajar con Bluetooth. Bluetooth con Wibree hace a los dispositivos más
pequeños y más eficientes energéticamente, y aprovecha la existencia de la
comunicación Bluetooth y permite un consumo de energía muy bajo. Wibree fue
liberado públicamente en octubre de 2006.
5.3 Almacenamiento.
Los enfoques tradicionales en WSNs requieren que los datos sean
transferidos desde los nodos sensores a una estación centralizada debido a que el
almacenamiento es limitado en los nodos. Técnicas como la agregación y
compresión de datos reducen considerablemente la cantidad de datos
transferidos, reduciendo la energía requerida y el número de comunicaciones.
Estas técnicas son importantes para aplicaciones en tiempo real basadas en
detección de eventos, pero aun así puede que no sean suficientes. Las aplicaciones
basadas en operaciones petición-respuesta podrán decidir qué datos son
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
58
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
importantes reunir. La optimización del almacenamiento en los nodos se hace
importante en el caso de que se recojan gran cantidad de datos con el tiempo.
Por todo ello, dado que el espacio de almacenamiento es limitado y la
comunicación requiere de gran consumo energético, se necesita un modelo para
satisfacer estas restricciones.
5.4 Bancos de pruebas.
Un banco de pruebas en WSNs consiste en un despliegue de nodos sensores
en un entorno controlado. Se diseña para apoyar la investigación experimental en
un entorno real. Esto proporciona a los investigadores un modo de probar sus
protocolos, algoritmos, aspectos de red y aplicaciones. Los experimentos pueden
ser configurados fácilmente, ejecutados y monitorizados remotamente. Los
experimentos también se pueden repetir para poder analizar los resultados
obtenidos.
5.5 Soporte de diagnóstico y depuración de fallos.
Para garantizar el éxito de una WSN en un entorno real, es importante
tener un sistema diagnóstico y depuración de fallos que pueda medir y monitorizar
el rendimiento de los nodos en la red. Estudios sobre la manipulación de diversos
tipos de hardware y software de depuración ayudan a prolongar el tiempo de vida
de cada uno de los nodos sensores, que a su vez, ayudará a aumentar el tiempo de
vida de la WSN. Adicionalmente, los métodos de direccionamiento para mejorar el
rendimiento de las comunicaciones pueden hacer al sistema más eficiente.
5.6 Aspectos adicionales.
El diseño de una plataforma para un nodo debe tratar con retos en el
consumo energético, coste y restricciones de aplicación. Esto requiere la
optimización tanto del hardware como del software para hacer una WSN eficiente.
El hardware implica el uso de diminutos nodos de bajo coste, mientras que el
software abarca cuestiones como el tiempo de vida de la red, robustez,
organización automática, seguridad, tolerancia a fallos y middleware. Los
requerimientos de la aplicación varían en términos de cómputo, almacenamiento e
interfaz de usuario y, por consiguiente, no existe una única plataforma que pueda
ser empleada en todas las aplicaciones. Aun así, son muchos los esfuerzos que se
están realizando por conseguir una plataforma útil para gran variedad de
aplicaciones.
La capacidad de almacenamiento en nodos sensores es limitada. En lugar de
enviar grandes cantidades de datos brutos a la estación base, el espacio de
almacenamiento local de los nodos se usa como una base de datos distribuida a la
CAPÍTULO 4. ENTORNO DE TRABAJO
59
cual se pueden enviar peticiones para recuperar datos. A pesar de que se han
creado varias técnicas que facilitan la tarea de manejar y almacenar datos de
manera eficiente, las técnicas de almacenamiento de bajo consumo energético son
todavía un tema abierto de investigación.
Los estudios de rendimiento proporcionan información útil para desarrollar
herramientas y soluciones que mejoren el funcionamiento del sistema. Los factores
críticos que influyen en el rendimiento del sistema incluyen la escalabilidad,
comunicación, protocolos en diferentes capas, fallos y gestión de red. Los aspectos
de escalabilidad pueden degradar el funcionamiento de sistema. Los protocolos de
comunicación tratan todavía de alcanzar un rendimiento razonable cuando el
tamaño de la red es relativamente grande. La optimización y el análisis de
protocolos en diferentes capas pueden mejorar el funcionamiento del sistema y
determinar sus ventajas y limitaciones. Los nodos sensores pueden fallar en
cualquier momento debido al hardware, software o motivos de comunicación. Es
importante que haya servicios que manejen estos fallos antes y después de que
éstos ocurran. El desarrollo de herramientas de gestión de red permite la
monitorización del rendimiento del sistema y configuración de nodos.
6 Servicios de red.
Los servicios de aprovisionamiento, gestión y control, son utilizados para
coordinar y manejar nodos sensores. Éstos mejoran el funcionamiento global de la
red en términos de potencia, distribución de tareas y uso de recursos. Un correcto
aprovisionamiento asigna recursos como potencia y ancho de banda para
maximizar su uso. En el aprovisionamiento influyen servicios como la cobertura y la
localización. La cobertura en una WSN tiene que garantizar que la región
monitorizada quede cubierta con cierta fiabilidad y es importante porque afecta al
número de nodos que deben ser desplegados, la colocación de estos nodos, su
conectividad y su energía. La localización es el proceso por el cual un nodo trata de
determinar su propia posición después del despliegue. Por otro lado, la gestión y
servicios de control juegan un papel clave en WSNs ya que facilitan servicios
middleware como la sincronización, la compresión y agregación de datos, la
seguridad, la optimización entre capas, etc.
6.1 Sincronización.
La sincronización en WSNs influye directamente en el encaminamiento de
paquetes y en la conservación de energía. La carencia de exactitud en la
temporización puede influir considerablemente en el tiempo de vida de la red. Una
sincronización de tiempo global permitiría a los nodos cooperar y transmitir datos
de una manera ordenada. Además, se consiguen ahorros de energía cuando tienen
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
60
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
lugar menos colisiones de paquetes y nuevas transmisiones, y cuando es posible
cambiar el estado de los nodos a un estado de reposo mientras no hay actividad. Es
por ello por lo que los protocolos de sincronización existentes ayudan a sincronizar
los relojes locales de los nodos con el funcionamiento de la red.
6.2 Compresión y agregación de datos.
La compresión y la agregación de datos reducen el coste de comunicación e
incrementa la fiabilidad en la transferencia de datos. Estas características son
necesarias en aplicaciones que tienen gran cantidad de datos que enviar a través
de la red. Según la importancia de los datos, un método puede ser mejor que otro.
Las técnicas de compresión de datos implican la reducción, sin pérdida de
información, del tamaño de los datos antes de la transmisión, para que en la
estación base tenga lugar el proceso de descompresión. En cuanto a la agregación
de datos, éstos son recogidos de múltiples sensores y se combinan juntos para
transmitirlos a la estación base. Este método se emplea a menudo en redes con
agrupaciones de nodos definidas. En este caso, los datos agregados son más
importantes que las lecturas individuales. Cada una de estas técnicas trata
implícitamente con cuestiones de energía, robustez, adaptabilidad, exactitud y
eficiencia.
6.3 Seguridad.
Una WSN es vulnerable a amenazas y riesgos. Un intruso puede
comprometer un nodo sensor, cambiar la integridad de los datos, escuchar los
mensajes, inyectar mensajes falsos, y consumir recursos de red. A diferencia de las
redes cableadas, los nodos inalámbricos difunden sus mensajes al medio. De ahí
que el aspecto de la seguridad se deba tratar en WSNs. Hay una serie de
restricciones en la incorporación de seguridad en una WSN como son las
limitaciones en almacenamiento, comunicación, cómputo y capacidades de
procesamiento. Es por ello por lo que el diseño de protocolos de seguridad
requiere el entendimiento de estas limitaciones para lograr un funcionamiento
seguro de la red.
7 Protocolos de comunicación.
El desarrollo de una pila de protocolos fiable y eficiente en términos de
energía es importante para soportar múltiples aplicaciones en WSNs. Dependiendo
de la aplicación, una WSN puede consistir en decenas o cientos de nodos
desplegados, generalmente de forma aleatoria en el entorno bajo estudio como se
muestra en la Figura 14. Cada nodo tiene la capacidad de recoger datos del
entorno, así como de encaminarlos hasta la estación base (nodo sink), que a través
CAPÍTULO 4. ENTORNO DE TRABAJO
61
de otras infraestructuras hará posible la comunicación con el nodo gestor de tareas
encargado de recibir las órdenes del usuario final.
Figura 14. Arquitectura de comunicación de una WSN [22].
Cada nodo usa la pila de protocolos mostrada en la Figura 15 para
comunicarse con cualquier otro y con la estación base. Ésta debe ser
energéticamente eficiente en términos de comunicación y ser capaz de trabajar de
forma óptima a través de múltiples nodos.
La implementación de protocolos en las diferentes capas de la pila de
protocolos puede afectar significativamente al consumo de energía, al retraso
extremo a extremo y a la eficiencia del sistema. Es de vital importancia optimizar la
comunicación y minimizar la energía empleada. Como ya se ha citado
anteriormente, las restricciones y características únicas de las WSNs hacen que el
diseño de los protocolos empleados conlleve desafíos diferentes a los de otras
redes. Además, se hace necesario el diseño de protocolos que soporten la
interacción entre capas de protocolo para compartir datos útiles con todas las
Capa de Aplicación
Capa de Transporte
Capa de Red
Capa de Enlace
Capa Física
Figura 15. Pila de protocolos de un nodo de una WSN.
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
62
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
capas y así poder enfrentarse con garantías a los requerimientos que plantea el
diseño de este tipo de redes.
A continuación, se hace una introducción a las diferentes capas presentes
en la pila de comunicación de una WSN, destacando los aspectos más influyentes.
En [20] se realiza un estudio reciente y detallado de la gran variedad de protocolos
propuestos en las distintas capas.
7.1 Capa de transporte.
Esta capa garantiza un trasporte de datos fiable entre la fuente y el destino.
Este nivel es especialmente necesario cuando se planea que la WSN sea accesible a
través de Internet u otras redes externas. El protocolo TCP con su actual
mecanismo de ventana de transmisión no se adapta a las características extremas
que requiere el entorno de una red sensora.
Una opción sería disponer de conexiones TCP entre un usuario remoto y la
estación base de la red de sensores vía Internet, y emplear un protocolo especial
de capa de transporte para manejar las comunicaciones entre la estación base y los
nodos sensores. La comunicación entre la estación base y los nodos sensores
mediante protocolos similares a TCP o UDP es inviable debido a que cada nodo
sensor tiene una memoria limitada.
Así, los protocolos de la capa de transporte en WSNs deben soportar
múltiples aplicaciones, fiabilidad variable, recuperación de paquetes perdidos, y
mecanismos de control de congestión. El desarrollo de un protocolo de capa de
transporte debe ser genérico e independiente de la aplicación. Ello debería
proporcionar fiabilidad variable para los datos de diferentes aplicaciones, ya que
cada aplicación puede tolerar diferentes niveles de pérdida de paquetes. La
pérdida de paquetes puede ser debida a una mala comunicación radio, congestión
en la red, colisiones de paquetes, capacidad de memoria limitada y fallos del nodo.
Cualquier pérdida de paquetes puede resultar en un derroche de energía y
degradado de la calidad del servicio (QoS), por lo que la detección y recuperación
de paquetes perdidos se torna indispensable para mejorar el rendimiento y el
gasto energético.
Hay dos aproximaciones para la recuperación de paquetes: salto a salto y
extremo a extremo. La retransmisión salto a salto requiere que un nodo intermedio
guarde el paquete en su memoria. Este método es más eficiente energéticamente
ya que las distancias de retransmisión son más cortas. En la retransmisión extremo
a extremo, la fuente guarda toda la información del paquete y realiza la
retransmisión cuando hay una pérdida de paquete. La retransmisión extremo a
CAPÍTULO 4. ENTORNO DE TRABAJO
63
extremo permite una fiabilidad variable mientras que la retransmisión salto a salto
funciona mejor cuando las exigencias de fiabilidad son altas.
Un mecanismo de control de congestión monitoriza y detecta congestión
haciendo uso de la menor energía posible. Antes de que la congestión tenga lugar,
la fuente es notificada para reducir su tasa de envío de datos. El control de
congestión ayuda a reducir retransmisiones y a no sobrecargar el buffer de los
nodos. Al igual que en la recuperación de paquetes perdidos, existen dos
aproximaciones al control de congestión: salto a salto y extremo a extremo. El
mecanismo salto a salto requiere que cada nodo a lo largo del camino monitorice
los desbordamientos del buffer. Este mecanismo disminuye la congestión de forma
más rápida que el mecanismo extremo a extremo. Cuando la congestión es
detectada por un nodo, todos los nodos a lo largo del camino cambian su
comportamiento. Por el contrario, el mecanismo extremo a extremo confía en los
nodos finales para descubrir la congestión. La congestión es detectada cuando
expiran los temporizadores correspondientes o se reciben asentimientos
redundantes.
Dependiendo del tipo, fiabilidad y sensibilidad temporal de la aplicación,
será más conveniente una aproximación u otra para el control de congestión y
recuperación de paquetes perdidos. En definitiva, los protocolos existentes de la
capa de transporte en WSNs intentan cubrir las cuestiones de diseño mencionadas
anteriormente.
Aunque han sido propuestos muchos protocolos para la capa de transporte,
hay todavía varios problemas de investigación abiertos como son la interacción
entre capas, imparcialidad y control de congestión con gestión de colas activas. La
capa de transporte puede beneficiarse de las interacciones entre las diferentes
capas de la arquitectura de comunicación. Éstas pueden mejorar el funcionamiento
del protocolo de transporte seleccionando mejores rutas para la transmisión de
paquetes adquiriendo informes de la capa de enlace. Se ha realizado alguna
investigación en esta área; sin embargo, los métodos de interacción entre capas
necesitan ser explorados en mayor profundidad.
Los mecanismos de control de congestión actuales se basan en la
monitorización de canales y ajuste dinámico de la tasa de datos de la fuente
cuando aparece la congestión. No tiene lugar ninguna monitorización activa de las
colas para evitar la congestión. Incorporando gestión de colas activas en el control
de congestión se podría reducir la pérdida de paquetes y aumentar el rendimiento.
Adicionalmente, el protocolo de transporte debería garantizar igualdad entre
nodos sensores. Sin embargo, el problema de garantizar igualdad en redes de
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
64
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
topología cambiante no ha sido explorado profundamente. Una posible solución a
este problema es asignar prioridad a los paquetes.
7.2 Capa de red.
La capa de red maneja el encaminamiento de los datos a través de la red
desde la fuente al destino. Los protocolos de encaminamiento en WSNs se
diferencian de los protocolos de encaminamiento tradicionales en varios aspectos.
En primer lugar, los nodos sensores no tienen direcciones IP, debido a motivos tan
variados como las limitaciones existentes de memoria en los nodos, que impiden el
almacenamiento de tablas de encaminamiento; la topología de la red puede variar
debido a fallos en los nodos; y los nodos se despliegan generalmente de forma
aleatoria y en grandes cantidades. Por lo que no es válido un protocolo de
encaminamiento basado en IP en una WSN. Además, el diseño de protocolos de
red tiene que ser escalable. Así, éstos deberían manejar las comunicaciones entre
muchos nodos y propagar los datos a la estación base. El protocolo debería tener
limitaciones de recursos de red como energía, ancho de banda, memoria y
capacidades computacionales. Teniendo en cuenta estas restricciones, el tiempo
de vida de la WSN se puede prolongar. Finalmente, el protocolo debería tener en
cuenta cuestiones como eficiencia, tolerancia a fallos, imparcialidad y seguridad.
Un objetivo importante en WSNs es que el encaminamiento pueda estar
basado en los datos. De esta manera, se podría realizar una petición a la red para la
ejecución de tareas de sensado en los nodos sensores. Otra posibilidad sería que
los propios nodos propagasen sus medidas en difusión anunciando los datos
disponibles y esperasen una petición por parte de los nodos interesados. El
encaminamiento basado en los datos también se conoce como encaminamiento
basado en atributos ya que los usuarios están más interesados en un atributo del
fenómeno y no tanto en la medida de un nodo determinado.
Otra importante función del nivel de red es proporcionar interconexión con
redes externas o con otras redes de sensores, sistemas de control y de comandos,
e Internet. En un escenario, las estaciones base pueden ser utilizadas como una
puerta de enlace (gateway) hacia otras redes. Otro escenario consiste en crear un
backbone mediante la interconexión de las estaciones base y proporcionar a este
backbone acceso a otras redes mediante una puerta de enlace (gateway).
Muchos protocolos de encaminamiento han sido propuestos en WSNs. Las
características en las que se centran son la eficiencia energética y flujos de tráfico.
Estudios futuros de investigación deberían estar dirigidos a la seguridad, QoS y
movilidad del nodo. Además, se deberían analizar los estudios experimentales en
cuanto a la seguridad aplicada a protocolos de encaminamiento en WSNs. Por otro
lado, hay poca investigación en QoS en WSNs. QoS garantiza el retardo de extremo
CAPÍTULO 4. ENTORNO DE TRABAJO
65
a extremo y un encaminamiento energéticamente eficiente. En aplicaciones donde
los nodos son móviles, son necesarios nuevos protocolos de encaminamiento para
manejar cambios de topología frecuentes y llevar a cabo entregas de datos de
forma fiable.
7.3 Capa de enlace de datos.
La capa de enlace de datos se ocupa de la transferencia de datos entre dos
nodos que comparten el mismo enlace. Dado que la red es inalámbrica, para
conseguir una transferencia eficaz de datos, hay una necesidad de controlar el
acceso al medio y gestionarlo. El diseño del protocolo MAC debe tener en cuenta
los siguientes atributos: eficiencia energética, escalabilidad, sincronización de
trama, imparcialidad, utilización de ancho de banda, control de flujo y control de
errores.
Los mecanismos propuestos para permitir el acceso al medio están basados
en la asignación fija y el acceso al azar. Sin embargo, esquemas MAC basados en
demanda pueden resultar inapropiados en WSNs debido a la gran carga de
cabeceras que se introducen en los mensajes, así como al retardo de configuración
de los enlaces.
La detección y corrección de errores se ofrecen en la capa de enlace así
como en la capa de transporte. Una de las técnicas de detección de errores
ampliamente utilizadas es CRC (Cyclic Redundancy Check). En WSNs CRC funciona
de la siguiente manera. El transmisor y el receptor primero deben ponerse de
acuerdo sobre el tamaño del bloque de datos antes de la transmisión. El transmisor
divide un paquete procedente de la capa de red en bloques de datos del tamaño
acordado que serán reconstruidos nuevamente en el receptor. Para detección de
errores es usual usar un CRC de 8 bits. Así, se empaquetan en una trama los
bloques de datos con el CRC correspondiente y se envía al receptor, que al recibir
la trama, identifica si el bloque de datos contiene errores. Si hay bloques erróneos,
el receptor iniciará el proceso de recuperación para recuperar aquellos bloques
erróneos después de recibir un cierto número de tramas.
Las técnicas de recuperación en WSNs incluyen técnicas como ARQ
(Automatic Repeat Request), FEC (Forward Error Correction), HARQ (Hybrid ARQ),
SpaC (Simple Packet Combining) y MRD (Multi-radio Diversity). ARQ emplea
asentimientos y temporizadores para notificar al transmisor. La notificación puede
ser de la forma de un asentimiento positivo (ACK) o negativo (NACK). El transmisor
que reciba un NACK o la expiración de un temporizador retransmitirá la trama de
datos. Una restricción de la técnica ARQ es que está limitada a la detección de
errores de trama. Una trama entera tiene que ser transmitida de nuevo con que
haya un sólo bit erróneo.
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
66
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
Por otro lado, FEC disminuye el número de retransmisiones. El transmisor
añade mayor cantidad de datos redundantes en cada trama para que el receptor
pueda detectar y corregir errores. La ventaja de FEC es que se reducen las
retransmisiones y se evita el tiempo de espera de transmisión del asentimiento y la
nueva transmisión de trama.
HARQ es una variación del método ARQ. En HARQ se combinan los métodos
ARQ y FEC. Hay dos tipos de esquemas HARQ: tipo I y tipo II. El tipo I incluye tanto
bits de detección como de corrección de errores en cada paquete transmitido y
utiliza un código de corrección para subsanar errores. El tipo II transmite los bits de
detección de error o la información FEC junto con los datos. Si se detecta un error
en el primer paquete, se esperará al segundo paquete que contiene las paridades
FEC para corregir el error. Si los errores todavía persisten, los paquetes se
combinan para corregir los errores.
SPaC almacena el paquete con errores en el receptor y espera a la
retransmisión. En vez de retransmitir el paquete original, el transmisor envía los
bits de paridad. Al recibir el paquete, el receptor lo combina con el paquete
almacenado para recuperar los errores.
MRD usa dos técnicas para reponerse de los errores. La primera técnica es
la combinación de múltiples tramas erróneas para poder corregir errores evitando
las retransmisiones. La segunda técnica utiliza el esquema RFA (Request for
Acknowledgement) para recuperar el paquete.
En resumen, el diseño del protocolo MAC en una WSN está sujeto a varias
restricciones como la energía, topología y cambios en la red. La reducción al
mínimo de la energía para aumentar el tiempo de vida de la red es su objetivo
fundamental. El diseño del protocolo MAC debería prevenir el gasto de energía
debido a colisiones de paquetes, excesivas retransmisiones, control de cabeceras y
escucha ociosa. También debería adaptarse a la topología y cambios de red de
manera eficiente. Una gran variedad de protocolos MAC se han propuesto para
conseguir optimización en la utilización de canal, eficiencia energética y evitar
colisiones.
A pesar de ello, queda mucho trabajo por hacer en lo referente a la
optimización del funcionamiento del sistema. La interacción entre capas es un área
que necesita ser explorada más profundamente, ya que puede reducir las
cabeceras en cada una de las capas, así como minimizar el consumo de energía. Las
interacciones con la capa MAC pueden proveer a otras capas de información de
control de congestión y mejorar la selección de la ruta. Muchos de los protocolos
MAC existentes manejan estudios de rendimiento estáticos, pero hay todavía una
carencia en la literatura para comparar estos protocolos en una red móvil. En
CAPÍTULO 4. ENTORNO DE TRABAJO
67
definitiva, mejorando el protocolo MAC se puede mejorar considerablemente la
fiabilidad en la comunicación y el consumo de energía.
7.4 Capa física.
La capa física proporciona un interfaz para la transmisión de flujos binarios
sobre el medio físico. Es responsable de interactuar con la capa MAC, y
proporciona capacidades de transmisión, recepción y modulación. La interacción
entre la capa física y la capa MAC es un aspecto muy importante en el diseño
debido a que la tasa de error en la capa física es alta y variante en el tiempo en un
ambiente inalámbrico. Por ello, la capa MAC interactúa con la capa física para
detectar y corregir errores. Otras interacciones implican compartir información de
canal y transmisión con la capa MAC para conseguir mayor rendimiento y mejor
utilización de recursos.
Para una WSN, los problemas de reducir al mínimo el consumo de energía y
maximizar el tiempo de vida de la red comienzan en la capa física. En esta capa, la
energía se emplea en la operación del circuito radio y en la transmisión. Mientras
que la energía utilizada en la operación del circuito radio es fija, la utilizada en el
proceso de transmisión de datos puede variar según las pérdidas de paquetes,
interferencias y distancia de transmisión. Existe un compromiso entre potencia de
transmisión y la tasa de error producida. Una selección apropiada de la potencia de
transmisión reduce al mínimo la pérdida de energía y hace operar a la red de forma
más eficiente. Además, los esquemas de modulación son necesarios para transmitir
datos sobre un canal inalámbrico. Así, se han desarrollado distintos esquemas de
modulación para minimizar la probabilidad de error bajo diferentes condiciones.
Los esquemas de modulación energéticamente eficientes deberían reducir al
mínimo tanto la energía de operación del circuito radio como la de transmisión.
Recientes estudios de investigación incluyen como requerimientos de capa física
un diseño simple de chips radio de baja potencia y esquemas de transmisión y
modulación.
La capa física se debe diseñar considerando los requerimientos de una
WSN. Según las características de ésta, habrá restricciones en los chips radio en
términos de energía, tasas de datos, probabilidad de error, distancia de
transmisión y fiabilidad.
Otras restricciones que deben considerarse en la capa física son las
interferencias, la sincronización y la habilidad de transmitir en multi-cast. Si los
nodos se despliegan de forma densa, la interferencia entre ellos puede ser
inevitable. Cada nodo puede reducir su potencia de transmisión para reducir la
interferencia; sin embargo, se necesita de sincronización entre los nodos. Debe
haber sincronización entre la capa de enlace y la capa física, y entre los nodos. Con
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
68
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
sincronización, la interferencia en la comunicación se puede reducir al mínimo.
Finalmente, los chips radio con capacidad de multi-cast son útiles para transmitir
datos a múltiples nodos al mismo tiempo. Así, sólo los nodos necesarios recibirán
la información.
7.4.1 Elección del ancho de banda.
En WSNs, hay tres clases de tecnologías de capa física según el ancho de
banda: banda estrecha, espectro ensanchado y ultra-wideband. La tecnología de
banda estrecha usa un ancho de banda del orden de la tasa de símbolo. Esta
tecnología se centra en la eficiencia de ancho de banda, que es la medida de la tasa
de datos sobre el ancho de banda utilizado. Por otra parte, en la tecnología de
espectro ensanchado, la señal de banda estrecha es expandida. La función de
ensanchado utilizada para determinar el ancho de banda es independiente del
mensaje. Esta tecnología tiene la capacidad de reducir la potencia y permitir una
comunicación con eficacia, esto es, con robustez ante interferencias y
multitrayecto. Comparado con la tecnología de espectro ensanchado, ultra-
wideband utiliza mayor ancho de banda, del orden del Ghz. Ultra-wideband
expande su señal sobre un ancho de banda tal que la interferencia producida a
otros nodos es insignificante. Al igual que la tecnología de espectro ensanchado,
ultra-wideband permite comunicaciones utilizando baja potencia de transmisión.
Varios estudios muestran que las tecnologías de espectro ensanchado
cumplen los requerimientos de las WSNs mejor que las de banda estrecha. La
tecnología de banda estrecha se centra en optimizar la eficiencia en ancho de
banda y es menos robusta ante interferencias (excepto si se hace uso de la técnica
de frequency hopping), mientras que tanto la tecnología de espectro ensanchado
como la de ultra-wideband combinan ancho de banda con ahorro energético.
Según el tipo de tecnología de espectro ensanchado, la sincronización puede ser
beneficiosa debido a las propiedades de correlación de la secuencia pseudo-
aleatoria utilizada en el proceso de ensanchado. En cuanto a la capacidad multi-
cast, los sistemas de banda estrecha no están diseñados para llevar a cabo esta
tarea. En cambio, los sistemas de espectro ensanchado pueden realizar esta tarea
con una asignación correcta de códigos pseudo-aleatorios. Ultra-wideband tiene
muchas características atractivas, pero comparado con tecnologías de espectro
ensanchado, tiene sus propias restricciones y limitaciones. Una introducción a esta
tecnología se encuentra en [19].
7.4.2 Esquema de modulación.
El esquema de modulación usado por el transceptor radio puede repercutir
de forma sensible en el consumo de energía de un nodo. Esquemas de modulación
eficientes son necesarios para reducir el consumo de energía.
CAPÍTULO 4. ENTORNO DE TRABAJO
69
La modulación multinivel transmite símbolos de un conjunto de M formas
de onda diferentes, mientras que la modulación binaria usa únicamente dos
formas de onda distintas. En la modulación M-aria se transmiten log2M bits por
muestra. En general, la modulación multinivel requiere de circuitería más compleja
y mayor energía. Sin embargo, está demostrado que la modulación M-aria es más
eficiente energéticamente que la modulación binaria cuando el tiempo de
encendido del transceptor es corto y la potencia de transmisión RF es baja. En otra
comparación, para un valor grande de M, la modulación M-FSK (Frequency Shift
keying) es más eficiente que la M-PSK (Phase Shift keying) y M-QAM (Quandrature
Amplitude Modulation), cuando M es mayor que ocho. Para valores menores de M,
la modulación M-FSK no es tan eficiente porque se requiere de mayor potencia
para conseguir la misma tasa de error de bit que en la modulación M-PSK y M-
QAM. Sin embargo, para valores grandes de M, la relación señal a ruido requerida
(SNR) en la modulación M-FSK crece lentamente, haciéndola muy eficiente en
términos de energía.
En definitiva, la capa física en una WSN debe ser eficiente energéticamente.
Dado que el diseño de la capa física comienza en el diseño del transceptor radio, la
elección de éste compromete el rendimiento del resto de capas de protocolo. El
trabajo futuro se enfoca en nuevas innovaciones en el diseño de transceptores
radio de bajo consumo con tecnologías emergentes, explorando las técnicas de
ultra-wideband como alternativa para la comunicación, creación de esquemas de
modulación simples para reducir la sincronización y el coste de energía, determinar
la potencia de transmisión óptima y construir protocolos y algoritmos más
eficientes.
7.5 Interacción entre capas.
Un diseño de la arquitectura de comunicación que tenga en cuenta la
interacción entre capas en WSN es más eficaz y eficiente que el tradicional diseño
en capas. Mientras la aproximación tradicional conlleva mayor transferencia de
cabeceras, un diseño que tenga presente la interacción entre capas reduce al
mínimo estas cabeceras compartiendo datos entre las capas. En este diseño, la pila
de protocolos se trata como un sistema único y no como capas individuales e
independientes las unas de las otras. Así, las capas comparten información del
sistema. El desarrollo de varios protocolos y servicios en un diseño de este tipo es
optimizado y mejorado en conjunto.
Por ejemplo, el protocolo MAC podría compartir información acerca de la
topología con el protocolo de red para ayudar en el establecimiento de la ruta y el
mantenimiento. Tal información puede ser compartida directamente entre los dos
protocolos. La mayoría de los diseños propuestos hasta el momento están
centrados en la interacción entre capas contiguas. Por ello, los estudios futuros en
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
70
JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
este área deben centrar su atención en la colaboración de todas las capas para
alcanzar un ahorro de energía más alto y un mayor rendimiento y tiempo de vida
de la red [20].
8 Estudio de mercado.
En este apartado se describe el estudio realizado al inicio de este PFC con el
fin de adquirir un kit de desarrollo para la implementación práctica de la aplicación
de localización usando una red de sensores inalámbrica.
En primer lugar, los criterios en los que nos hemos basado para hacer el
estudio de mercado son los siguientes:
� Necesidad de cuatro o más nodos (además del nodo base).
� Nodos sensores basados en estándares de comunicación. En particular,
compatibles con los estándares IEEE 802.15.4 y Zigbee. Aunque éste último
no es estrictamente necesario para nuestra aplicación.
� Soporte de software abierto que nos permita un tiempo de desarrollo
relativamente reducido para la puesta en marcha de aplicaciones,
facilitando la programación de los nodos.
� Nodos con sensores de aceleración para tomar medidas de movimiento en
el nodo a monitorizar.
� Nodos sensores cuyos microprocesadores faciliten la medida de potencia
con la que se reciben los mensajes transmitidos desde otros nodos.
� Soporte técnico por parte del fabricante.
� Kit de propósito general que permita el desarrollo de múltiples aplicaciones
de cara a su utilidad en el futuro.
� Precio.
En la fecha de estudio, las compañías líderes en la comercialización de
nodos sensores inalámbricos eran las siguientes:
� Crossbow.
� Moteiv (Sentilla).
� Dust Networks.
CAPÍTULO 4. ENTORNO DE TRABAJO
71
� Millennial Net.
� Sensicast.
� Jennic.
Jennic [32] es una compañía europea y entre sus productos destacan los
microcontroladores inalámbricos de bajo consumo energético, módulos,
plataformas de desarrollo, y software. Se descartaron sus kits de desarrollo debido
a que los nodos no incluyen placas con sensores de aceleración y además, el kit
más interesante para nuestros propósitos (JN5139 ZigBee Evaluation Kit) está
compuesto por tan solo cuatro nodos, por lo que no tendríamos flexibilidad para
probar algoritmos de localización que requieran de mayor número de nodos.
Sensicast [33] es una compañía norteamericana y su principal interés radica
en la fabricación de WSNs para aplicaciones específicas de monitorización
industrial, entre las que destacan la monitorización de temperatura y energía.
Dado que no proporciona kits de desarrollo de propósito general, está opción no
era la adecuada.
Millennial Net [34] es una compañía norteamericana que desarrolla
soluciones software y hardware para WSNs. El producto que más se ajusta a
nuestras necesidades es el único kit de desarrollo que ofrecen (Standard Reference
Kit), el cual no nos satisface principalmente porque hace uso de software
propietario.
Dust Networks [35] es una compañía norteamericana que desarrolla
soluciones software y hardware para WSNs. Entre los productos que más se
ajustan a nuestras necesidades están los kits de desarrollo “Evaluation kit” y
“SmartMesh-XT Research Development Kit” pero a pesar de contar con doce
nodos, de nuevo no nos satisfacen debido a que el software empleado es
propietario.
Moteiv (ahora Sentilla) [36] es una compañía norteamericana que
desarrolla soluciones software y hardware para WSNs. Si bien, durante el periodo
en que se realizó el estudio de mercado ofrecía productos interesantes, se optó por
no utilizar los kits de desarrollo que ofrecían debido a que la compañía se
encontraba en un profundo cambio y, por ello, no nos ofrecía suficientes garantías.
En la actualidad el producto que más se acerca a nuestras necesidades es su único
kit de desarrollo (“Perk kit”), el cual únicamente contiene tres nodos sensores.
Crossbow [37] es una compañía norteamericana pionera en tecnología
sensora. Hoy por hoy, Crossbow es la compañía líder proveedora de tecnología
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES
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JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO
WSN y sensores MEMS para la navegación y control. En el momento del estudio,
los productos que más se ajustaban a nuestras necesidades eran sus variados kits
de desarrollo.
Por todo lo anterior, la compañía que se ha elegido para la adquisición de la
red propuesta en este PFC es Crossbow. Entre los variados kits de desarrollo que
ofrecen, se encuentran los siguientes:
� “The Imote2 .Builder Kit”.
� “Starter Kit”.
� “Professional Kit”.
� “OEM Design Kit”.
� “Classroom Kit”.
Dado que necesitamos un mínimo de cuatro nodos, descartamos el “Starter
kit” con sólo dos nodos, y el “The Imote2. Builder Kit”, que a pesar de que sus
nodos constan de una alta capacidad de procesamiento, sólo incluye tres nodos.
Por otro lado, el kit “OEM Design Kit” contiene varios elementos adicionales como
módulos y tarjetas de adquisición de datos que no son de utilidad para nuestros
propósitos y por lo tanto su precio no está justificado. Por todo ello, los kits más
interesantes son el “Professional kit” y el “Classroom kit”. Entre éstos, finalmente
se optó por la compra del “Professional kit” básicamente porque éste cubría todas
las necesidades descritas al comienzo de este apartado, y además, el “Classroom
kit” consta de una cantidad excesiva de nodos ya que es un kit diseñado
específicamente para su utilización en laboratorios docentes de investigación. En el
Anexo A se describirán los componentes del kit propuesto en este PFC, el
“Professional kit”.