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S O P O RT E D E T I E M P O R E A L E N R E D E SI N A L M B R I C A S D E S E N S O R E S

Memoria presentada por

jos mara castillo secilla

Para optar al grado dedoctor por la universidad de crdoba

Fdo. Jos Mara Castillo Secilla

Marzo 2013

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TITULO: SOPORTE DE TIEMPO REAL EN REDES INALMBRICAS DE SENSORES

AUTOR: JOS MARA CASTILLO SECILLA

Edita: Servicio de Publicaciones de la Universidad de Crdoba.Campus de RabanalesCtra. Nacional IV, Km. 396 A14071 Crdoba

www.uco.es/[email protected]

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Jos Mara Castillo Secilla: Soporte de Tiempo Real en Redes Inalmbricas

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S O P O RT E D E T I E M P O R E A L E N R E D E SI N A L M B R I C A S D E S E N S O R E S

Memoria presentada por

jos mara castillo secilla

Para optar al grado dedoctor por la universidad de crdoba

Fdo. Jos Mara Castillo Secilla

Marzo 2013

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VISTO BUENO

El Prof. Dr. D. Joaqun Olivares Bueno , Profesor Contratado Doctorde Universidad y el Prof. Dr. D. Jos Manuel Palomares Muoz , Pro-fesor Colaborador de Universidad, ambos del Departamento de Arqui-

tectura de Computadores, Electrnica y Tecnologa Electrnica de laUniversidad de Crdoba,

certifican :

Que la memoria titulada:

Soporte de Tiempo Real en Redes Inalmbricas de Sensores

ha sido realizada porD. Jos Mara Castillo Secilla bajo nuestra direc-cin en el Departamento de Arquitectura de Computadores, Electrni-ca y Tecnologa Electrnica de la Universidad de Crdoba para optaral grado de Doctor por la Universidad de Crdoba .

En Crdoba, a 31 de Marzo 2013.

Los Directores de la tesis doctoral:

Fdo. Joaqun Olivares Bueno Fdo. Jos Manuel Palomares Muoz

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A la memoria de mi abuelo.

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R E S U M E N

Esta Tesis Doctoral pretende proporcionar un mecanismo que permitacrear un esquema de sincronizacin en Redes Inalmbricas de Senso-res. El mecanismo desarrollado permitir sincronizar una red de nodosteniendo en cuenta los gradientes de temperatura existentes en el en-torno de trabajo. Con esta motivacin, se ha desarrollado este trabajo,el cual presenta dos aportaciones cientcas principales:

La primera de ellas es la creacin de un modelo matemtico depen-diente de la temperatura, el cual permita ajustar los diferentes desfa-ses producidos en el oscilador del sistemas como consecuencia de lasvariaciones de temperatura.

La segunda aportacin consiste en la creacin de cuatro protocolos desincronizacin basados en el modelo matemtico previamente citado.Los citados protocolos no slo son capaces de mejorar el comporta-miento del error de sincronizacin frente a cambios de temperatura,sino que adems, mejoran el error de sincronizacin con respecto alprotocolo de sincronizacin FTSP.

A B S T R A C T

This Ph. Thesis aims to provide a mechanism for synchronizing Wire-less Sensor Networks. It allows the synchronization of a network underchanging temperature conditions minimizing the average synchroniza-tion error. This work provides two main scientic contributions:

The rst one is the development of a new mathematical model basedon temperature changes. Using this model, the impact of the oscillatordrifts in synchronization protocols is reduced.

The second contribution is the proposal of four new synchronizationprotocols based on the above mentioned mathematical model. Compa-red to FTSP, these protocols reduce the average synchronization errorin all situations, especially, under temperature variations.

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P U B L I C A C I O N E S C I E N T F I C A S

Algunas de las ideas, imgenes y datos que se exponen en esta TesisDoctoral han aparecido publicadas previamente en algunas publicacio-nes:

J.M. Castillo-Secilla, J.M. Palomares, J. Olivares An Advanced Clock Skew Estimation Based on Temperature Gaps. Enviado a Sensors, xxxxxx, 2013. ndice de Impacto: 1.739. (En revisin).

J.M. Castillo-Secilla, J.M. Palomares, J. OlivaresTemperature-Aware Methodology for Time Synchronization Protocols in Wireless SensorNetworks. Enviado a Electronics Letters, xxxxxx, 2013. ndice deImpacto: 0.965. (En revisin).

A. Cubero, J.M. Castillo-Secilla, J.M. Palomares, J. Olivares, F.Len Distributed Intelligent Rule-Based Wireless Sensor Network Ar-chitecture. Aceptado en proceedings in the Advances in Intelligent andSoft Computing series of Springer Verlag, xxxxxx, 2013.

J.M. Castillo-Secilla, J.M. Palomares, J. Olivares y F. Len Life-time evaluation model for Wireless Sensor Networks based on moteredundancy . En las Actas del 7th IBERIAN CONFERENCE ONINFORMATION SYSTEMS AND TECHNOLOGIES: CISTI 2012 ,IEEE, Madrid (Espaa):7176, 2012. ISBN: 978-14-673-2843-2

J.M. Castillo-Secilla, J.M. Palomares, J. Olivares y F. Len Ajuste deSincronizacin de Tiempos Mediante Temperatura en Redes de SensoresInalmbricas. En las Actas del 7th IBERIAN CONFERENCE ONINFORMATION SYSTEMS AND TECHNOLOGIES: CISTI 2012 ,IEEE, Madrid (Espaa):7176, 2012. ISBN: 978-14-673-2843-2

J.M. Castillo-Secilla, J.M. Palomares, J. Olivares y F. Len Sincroni- zacin de Tiempos en Redes Inalmbricas de Sensores con Ajuste Avan- zado por Temperatura En las Actas del III Jornadas de ComputacinEmpotrada: Conferencia JCE2012 , Sociedad de Arquitectura y Tecno-loga de Computadores (SARTECO), Alicante (Espaa):7176, 2012.ISBN: 978-84-695-4424-2

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La verdadera fortaleza est en nosotros mismos. No permitas que nada tehaga perder la fe, la ilusin y los sueos.

Ricardo Secilla Morales.

A G R A D E C I M I E N TO S

Tras tanto tiempo de trabajo, esfuerzo y dedicacin no quisiera olvidara ninguna de las personas que han hecho posible la consecucin deeste gran objetivo para mi vida. Todos ellos me han apoyado, ayudadoy aguantado en aquellos momentos donde faltaban las fuerzas.

Todo mi agradecimiento a Joaqun, mi director de Tesis. No slo meha aportado grandes conocimientos sobre investigacin y docencia quehan hecho posible este trabajo, adems, ha guiado estos cuatro aoscon gran diligencia. En todo momento ha sabido hacia donde llevareste barco.

Esta Tesis Doctoral no habra sido posible sin una de las mejores per-sonas que he conocido. Son ya muchos aos juntos, en los que no slofue un director para mis proyectos n de carrera. Ms que un direc-tor, y por supuesto gran amigo, ha sido quien ha marcado mi hoja deruta acadmica desde 2002. Con su apoyo he alcanzado metas que niimaginaba. Gracias de todo corazn Jos Manuel.

No puedo olvidar a mis compaeros del rea de Arquitectura y Tecnolo- ga de Computadores de la Universidad de Crdoba: Jos Manuel, JuanCarlos, Juan, Lili y Edmundo. Siempre han conado en mis posibilida-des y me han apoyado en los das de bajn.

A mis amigos Fran, Ricardo y Roberto. He perdido la cuenta de lasveces que he tenido que dar un no por respuesta para salir, jugar alftbol, echar unas partidas... Deben saberse la cancin de memoria:Estoy con la Tesis. Tranquilos chicos, he vuelto!!!

A mis padres, Jos Mara e Inmaculada, quienes me han dado todoen esta vida e hicieron lo imposible porque pudiera continuar mis es-tudios y llegar hasta aqu. A mis hermanos, Jess y Daniel, que hanestado siempre a mi lado. No quiero olvidar a mi abuelo Ricardo, mireferente en la vida y el gran responsable de que tomara la decisin derealizar esta Tesis Doctoral.

Mi mayor agradecimiento es para mi novia Anabel. Ella es quien meha ayudado, escuchado y empujado cada da durante cuatro largosaos. Lo ha dado todo por este sueo y ahora me toca devolvrselo. Tequiero.

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LISTA DE CONTENIDO S

i introduccin 11 introduccin 3

1.1 Historia de las comunicaciones 41.1.1 Red de comunicaciones 4

1.2 Motivacin 61.2.1 Problemticas en las WSN 71.2.2 Sincronizacin en WSN 81.2.3 Osciladores: Variaciones de comportamiento 81.2.4 El error de sincronizacin 9

1.3 Campos de aplicacin 101.3.1 Monitorizacin ambiental 101.3.2 Monitorizacin sanitaria 111.3.3 Seguridad 121.3.4 Otros dominios de aplicacin 13

1.4 Marco de trabajo 161.4.1 Tiempo real en WSN 16

1.5 Planteamiento 171.5.1 Problemtica 181.5.2 mbito de actuacin 181.5.3 Objetivos cientcos de la Tesis 181.5.4 Propuesta inicial 19

1.6 Estructura de la Tesis 21

ii revisin bibliogrfica 232 sincronizacin en redes de sensores 25

2.1 Evaluacin de polticas de sincronizacin en WSN 262.2 Parmetros involucrados en la sincronizacin de WSN 272.3 Procedimientos bsicos de sincronizacin en WSN 28

2.3.1 Paso de tiempos 282.3.2 Sincronizacin pair-wise 292.3.3 Reference Broadcasting 302.3.4 Timestamp en capa MAC 312.3.5 Timestamp en capa fsica 312.3.6 Estimacin del clock skew 31

2.4 Protocolos de sincronizacin en WSN 332.4.1 Reference Broadcast Synchronization 332.4.2 Timing-Sync Protocol for Sensor Networks 342.4.3 The Flooding Time Synchronization Protocol 37

2.5 Protocolos de sincronizacin basados en temperatura 372.5.1 Temperature Driven Time Synchronization (TDTS) 382.5.2 Environment Aware Clock Skew Estimation and

Synchronization for WSN (EACS) 382.6 Conclusiones 38

3 comunicaciones inalmbricas 413.1 IEEE 802.15.4 42

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xvi Lista de Contenidos

3.1.1 Topologas y Componentes de la Red 423.1.2 La capa Fsica en 802.15.4 453.1.3 La capa MAC en 802.15.4 47

3.2 ZigBee 503.2.1 Topologas y Componentes de la Red 523.2.2 La capa de red en ZigBee 533.2.3 La capa de Aplicacin en ZigBee 60

3.3 Otros estndares 623.3.1 WirelessHART 623.3.2 ISA100.11a 633.3.3 6LowPAN 633.3.4 DASH7 643.3.5 IEEE 802.15.3 65

3.4 Conclusiones 65

iii mtodo y materiales 674 efectos de la temperatura en la sincronizacin 69

4.1 Por qu se ha de tener en cuenta la temperatura al sin-cronizar? 704.1.1 Precisin frente a variaciones de temperatura 71

4.2 The Flooding Time Synchronization Protocol 724.2.1 Alternativas a FTSP 724.2.2 Eleccin del protocolo de Sincronizacin 734.2.3 Funcionamiento de FTSP 74

4.3 Conguracin de los experimentos 784.3.1 Comunicaciones inalmbricas 784.3.2 Sistema Operativo 784.3.3 Hardware 794.3.4 Conguracin fsica de la red 794.3.5 Conguracin de FTSP 804.3.6 Anlisis de Resultados 81

4.4 Resultados 824.4.1 Inuencia de la temperatura 82

4.5 Conclusiones 845 ajuste avanzado del clock skew 87

5.1 Problemtica 885.2 Ajuste avanzado por temperatura 89

5.2.1 Oscilador Citizen CMR200T 895.2.2 AT-FTSP (Adjusted Temperature FTSP) 905.2.3 A2T-FTSP (Advanced Adjusted Temperature FTSP) 91

5.3 Separacin de seales mediante ltrado homrco 935.3.1 Filtrado lineal 935.3.2 Componentes del clock skew 955.3.3 Filtrado Homomrco aplicado al clock skew 965.3.4 Recta de regresin: Mtodo de los mnimos cua-

drados 995.3.5 Obtencin del clock skew 1005.3.6 HF-FTSP (Homomorphic Filtered FTSP) 1025.3.7 HF2-FTSP (Homomorphic Filtered Improved FTSP) 102

5.4 Conclusiones 102

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Lista de Contenidos xvii

iv resultados experimentales 1056 resultados experimentales 107

6.1 Conguracin de los Experimentos 1086.1.1 Comunicaciones inalmbricas 1086.1.2 Sistema Operativo 1096.1.3 Hardware 1096.1.4 Conguracin de AT/A2T/HF/HF2-FTSP 1106.1.5 Conguracin fsica de la red 1136.1.6 Obtencin de resultados estadsticos 114

6.2 Resultados experimentales sin variacin de temperatu-ra 1156.2.1 Tasa de Beacon: 30, Entradas: 3 1156.2.2 Tasa de Beacon: 10, Entradas: 5 1246.2.3 Tasa de Beacon: 10, Entradas: 10 133

6.3 Resultados experimentales con variacin de temperatu-ra 1416.3.1 Temperaturas bajas: 9 C - 22 C 1426.3.2 Temperaturas medias: 22 C - 32 C 1506.3.3 Temperaturas altas: 22 C - 40 C 1606.3.4 Modicacin de la temperatura en el nodo root 169

6.4 Conclusiones 1706.4.1 Conclusiones a los resultados sin cambio de tem-

peratura 1706.4.2 Conclusiones a los resultados con cambio de tem-

peratura 171

v discusin y conclusiones 1737 discusin 175

7.1 Discusin sobre la inuencia trmica en osciladores de bajo coste 1767.1.1 Inuencia de la temperatura en las motas 1767.1.2 Clock skew basado en temperatura 176

7.2 Discusin sobre los protocolos de sincronizacin pro-puestos 1767.2.1 Fcil adaptacin a cualquier protocolo de sincro-

nizacin 1777.2.2 Mejora del error de sincronizacin en base a la

temperatura local de la mota 1787.2.3 Separacin del clock skew: corte del piezoelctri-

co y temperatura 1787.2.4 Mejora del error de sincronizacin conociendo la

temperatura del nodo raz 1797.2.5 Disminucin del coste hardware 180

7.3 Conclusiones 1808 conclusiones 183

8.1 Sumario 1848.2 Produccin cientca 1878.3 Principales aportaciones cientcas 1888.4 Investigaciones futuras 189

vi apndices 191

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xviii Lista de Contenidos

a .1 Componentes de un Nodo 194a .1.1 Microcontrolador 194a .1.2 Transceiver 195a .1.3 Memoria 195a .1.4 Fuente de alimentacin 196a .1.5 Sensores 196

a .2 Plataformas WSN ms conocidas 197a .2.1 MicaZ/Mica2 197a .2.2 TelosB 198a .2.3 IRIS 199a .2.4 Cricket 199a .2.5 WaspMote 199a .2.6 Arduino 200

b clock skew 203b.1 Introduccin 204

b.1.1 Qu es un oscilador de cristal? 204b.1.2 Por qu funciona un oscilador de cristal? 204b.1.3 Historia 205

b.2 Osciladores de cristal 206b.2.1 Oscilador bsico 206b.2.2 Circuito de oscilacin de cristal equivalente 207b.2.3 El cristal de cuarzo 208b.2.4 Categoras de osciladores 212b.2.5 Osciladores: Tipos de circuitos 213

b.3 Qu causa la inestabilidad en los osciladores? 214b.3.1 Mtricas que caracterizan a los osciladores 214b.3.2 Inuencia de la temperatura en la frecuencia 215

c sistemas operativos en wsn 219c .1 Caractersticas que denen a los Sistemas Operativos 220

c .1.1 Arquitectura 220c .1.2 Modelo de programacin 221c .1.3 Planicacin 221c .1.4 Administracin y proteccin de memoria 222c .1.5 Protocolos de comunicacin 222c .1.6 Comparticin de recursos 223

c .2 Principales Sistemas Operativos en WSN 223c .2.1 TinyOS 223c .2.2 Contiki 227c .2.3 Nano-RK 231c .2.4 Comparativa: Sistemas Operativos para WSN 235

vii bibliografa 239

bibliografa 241

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LISTA DE F IGURAS

Figura 1.1 Ejemplo de monitorizacin ambiental: Viedos. 10Figura 1.2 Ejemplo de monitorizacin ambiental: Inverna-

dero. 11Figura 1.3 Monitorizacin de contaminacin. 12Figura 1.4 Monitorizacin de la Torre LAquila. 14Figura 1.5 Monitorizacin de estructuras. 14Figura 1.6 Bsqueda de aparcamiento mediante WSN. 15Figura 2.1 Tiempos de incertidumbre en envo a travs de

WSN 28Figura 2.2 Comparacin entre sincronizacin tradicional yRBS 34

Figura 2.3 TPSN: Intercambio de mensajes entre pares denodos 36

Figura 3.1 Estructura de una Red de Sensores Inalmbri-ca 42

Figura 3.2 Espacio wireless 802 43Figura 3.3 Topologas de red en IEEE 802.15.4 44Figura 3.4 Bandas de Frecuencias en IEEE 802.15.4 45Figura 3.5 Arquitectura IEEE 802.15.4 46Figura 3.6 Trama 802.15.4 48Figura 3.7 Intervalo Beacon y concepto de supertrama 48Figura 3.8 Stack ZigBee sobre IEEE 802.15.4 51Figura 3.9 Topologas y roles en Zigbee 53Figura 3.10 Ejemplo de asignacin de direcciones en ZigBee 57Figura 3.11 Ejemplo de diseminacin de una peticin de ruta

en ZigBee 58Figura 3.12 Ejemplo Broadcast en una red ZigBee 60Figura 3.13 Formato de trama APS en ZigBee 61Figura 3.14 Arquitectura WirelessHart MESH 63Figura 3.15 6LowPAN: Ejemplo de aplicacin 64Figura 4.1 Plataforma TelosB 79Figura 4.2 Conguracin fsica de la red 80Figura 4.3 Desfase de temperatura 83Figura 4.4 Inuencia de la temperatura en el error de sin-

cronizacin 84Figura 5.1 Clock skew en la mota Mica2 89Figura 5.2 Clock skew en el oscilador CMR200T 90Figura 5.3 Representacin cannica de un ltrado homomr-

co 94Figura 5.4 Representacin cannica de un ltrado multipli-cativo 97

Figura 5.5 Filtro de la Figura 5.4 con P y P 1 especicadoscomo transformaciones logartmicas y exponen-ciales respectivamente 97

Figura 5.6 Regresin lineal 98

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xx Lista de Figuras

Figura 6.2 AT-FTSP (Beacon = 30, Entries = 3) 117Figura 6.3 A2T-FTSP (Beacon = 30, Entries = 3) 118Figura 6.4 HF-FTSP (Beacon = 30, Entries = 3) 119Figura 6.5 HF-FTSP (Beacon = 30, Entries = 3) 120Figura 6.6 Estudio de tendencia (Beacon = 30, Entries =

3) 121Figura 6.7 Resultados globales (Beacon =30, Entries =3) 122Figura 6.8 FTSP (Beacon = 10, Entries = 5) 124Figura 6.9 AT-FTSP (Beacon = 10, Entries = 5) 125Figura 6.10 A2T-FTSP (Beacon = 10, Entries = 5) 126Figura 6.11 HF-FTSP (Beacon = 10, Entries = 5) 127Figura 6.12 HF2-FTSP (Beacon = 10, Entries = 5) 128Figura 6.13 Estudio de tendencia (Beacon = 10, Entries =

5) 129Figura 6.14 Resultados globales (Beacon rate:10, Entries:5) 130Figura 6.15 FTSP (Beacon = 10, Entries = 10) 133Figura 6.16 AT-FTSP (Beacon = 10, Entries = 10) 134Figura 6.17 A2T-FTSP (Beacon = 10, Entries = 10) 135Figura 6.18 HF-FTSP (Beacon = 10, Entries = 10) 136Figura 6.19 HF2-FTSP (Beacon = 10, Entries = 10) 137Figura 6.20 Estudio de tendencia (Beacon = 10, Entries =

10) 138Figura 6.21 Resultados globales (Beacon rate:10, Entries:10) 139Figura 6.22 Efectos de la temperatura sobre FTSP 143Figura 6.23 Efectos de la temperatura sobre AT-FTSP 144Figura 6.24 Efectos de la temperatura sobre A2T-FTSP 145Figura 6.25 Efectos de la temperatura sobre HF-FTSP 146Figura 6.26 Efectos de la temperatura sobre HF2-FTSP 147Figura 6.27 Desfase trmico: 9C-22C 148Figura 6.28 Estudio de tendencia con desfase trmico: 9C-

22C 149Figura 6.29 Resultados globales con desfase trmico:9C-22C 149Figura 6.30 Efectos de la temperatura sobre FTSP 151Figura 6.31 Efectos de la temperatura sobre AT-FTSP 152Figura 6.32 Efectos de la temperatura sobre A2T-FTSP 153Figura 6.33 Efectos de la temperatura sobre HF-FTSP 154Figura 6.34 Efectos de la temperatura sobre HF2-FTSP 155Figura 6.35 Estudio de tendencia con desfase trmico: 22C-

32C 157Figura 6.36 Desfase trmico: 22C-32C 157Figura 6.37 Resultados globales con desfase trmico: 22C-

32C 159Figura 6.38 Efectos de la temperatura sobre FTSP 161Figura 6.39 Efectos de la temperatura sobre AT-FTSP 162Figura 6.40 Efectos de la temperatura sobre A2T-FTSP 163Figura 6.41 Efectos de la temperatura sobre HF-FTSP 164Figura 6.42 Efectos de la temperatura sobre HF2-FTSP 165Figura 6.43 Estudio de tendencia con desfase trmico: 22C-

40C 166Figura 6.44 Desfase trmico: 22C-40C 166Figura 6.45 Resultados globales con desfase trmico: 22C-

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Figura 6.46 Estudio de tendencia con modicacin de tempe-ratura en el nodo root 169

Figura 6.47 Cambio de temperatura en el nodo root 170Figura A.1 Tamao de la mota Smart Dust 194Figura A.2 Investigador con la mota Smart Dust 194Figura A.3 WSN: Arquitectura nodo 194Figura A.4 Plataforma Mica2 198Figura A.5 Plataforma TelosB 198Figura A.6 Plataforma IRIS 199Figura A.7 Plataforma Cricket 199Figura A.8 Plataforma Waspmote 200Figura A.9 Arduino UNO 201Figura A.10 XBee Shield para Arduino UNO/Duemilanove 201Figura B.1 Oscilador de cristal 206Figura B.2 Sistema de vibracin mecnico 207Figura B.3 Circuito equivalente con condensador de carga 208Figura B.4 El cuarzo en la naturaleza 209Figura B.5 Lugar geomtrico donde se hace cero el coecien-

te de temperatura 209Figura B.6 Osciladores de tipo AT-cut y SC-cut 210Figura B.7 Distribucin de amplitud para de un resonador

con pastilla de cristal circular 211Figura B.8 Posibles formas de vibracin de un resonador de

cuarzo 211Figura B.9 Cortes AT y BT sobre el plano Y del cristal 212Figura B.10 Tipos de Circuitos 214Figura B.11 Onda de salida en un oscilador 214Figura B.12 Clock skew en el oscilador CMR200T 216Figura B.13 Proceso de calentamiento en los cristales AT-cut

y SC-cut 217Figura C.1 Logotipo de TinyOS 223Figura C.2 Arquitectura de TinyOS 224Figura C.3 Arquitectura de Contiki 228Figura C.4 Arquitectura de Nano-RK 232

LISTA DE TABLAS

Tabla 3.1 Especicaciones Tcnicas de ZigBee 52Tabla 3.2 Pros y contras de los diferentes tipos de topologa

ZigBee 59Tabla 4.1 Conguracin paramtrica en FTSP 81Tabla 4.2 Inuencia de la temperatura en el oscilador 84Tabla 5.1 Variables del modelo matemtico 91Tabla 6.1 Parmetros utilizados 112Tabla 6.2 Res. FTSP: Beacon: 30, Entries: 3, T: 25C 116Tabla 6.3 Res. AT-FTSP: Beacon:30, Entries:3,T:25C 117

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xxii Lista de Tablas

Tabla 6.4 Res. A2T-FTSP: Beacon:30, Entries:3, T:25C 118Tabla 6.5 Res. HF-FTSP: Beacon:10, Entries:3, T:25C 119Tabla 6.6 Res. HF2-FTSP: Beacon:10, Entries:3, T:25C 120Tabla 6.7 Res. FTSP: Beacon: 10, Entries: 5, T: 25C 124Tabla 6.8 Res. AT-FTSP: Beacon:10, Entries:5, T:25C 125Tabla 6.9 Res. A2T-FTSP: Beacon:10, Entries:5, T:25C 126Tabla 6.10 Res. HF-FTSP: Beacon:10, Entries:5, T:25C 127Tabla 6.11 Res. HF2-FTSP: Beacon:10, Entries:5, T:25C 128Tabla 6.12 Res. FTSP: Beacon: 10, Entries: 10, T: 25C 133Tabla 6.13 Res. AT-FTSP: Beacon:10, Entries:10, T:25C 134Tabla 6.14 Res. A2T-FTSP: Beacon:10, Entries:10, T:25C 135Tabla 6.15 Res. HF-FTSP: Beacon:10, Entries:10, T:25C 136Tabla 6.16 Res. HF-FTSP: Beacon:10, Entries:10, T:25C 137Tabla 6.17 Res. FTSP: T: 9C-22C 143Tabla 6.18 Res. AT-FTSP: T: 9C-22C 144Tabla 6.19 Res. A2T-FTSP: T: 9C-22C 145Tabla 6.20 Res. HF-FTSP: T: 9C-22C 146Tabla 6.21 Res. HF2-FTSP: T: 9C-22C 147Tabla 6.22 Res. FTSP: T: 22C-32C 151Tabla 6.23 Res. AT-FTSP: T: 22C-32C 152Tabla 6.24 Res. A2T-FTSP: T: 22C-32C 153Tabla 6.25 Res. HF-FTSP: T: 22C-32C 154Tabla 6.26 Res. HF2-FTSP: T: 22C-32C 155Tabla 6.27 Res. FTSP: T: 22C-40C 161Tabla 6.28 Res. AT-FTSP: T: 22C-40C 162Tabla 6.29 Res. A2T-FTSP: T: 22C-40C 163Tabla 6.30 Res. HF-FTSP: T: 22C-40C 164Tabla 6.31 Res. HF2-FTSP: T: 22C-40C 165Tabla 7.1 Inuencia de la temperatura en la sincronizacin 176Tabla 7.2 Caractersticas AT-FTSP y A2T-FTSP 177Tabla C.1 Comparativa de Sistemas Operativos para WSN 236Tabla C.2 Comparativa de Sistemas Operativos para WSN:

Caractersticas adicionales 237

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A C R N I M O S

6LowPAN IPv6-Based Low Power Wireless Personal Area Networks

ACK Acknowledgement

AES Advanced Encryption Standard

API Application Program Interface

ARPA Advanced Research Projects Agency

ARPANET Advanced Research Projects Agency Network

ASIC Application-Specic Integrated Circuit

AT-FTSP Adjusted Temperature FTSP

A2T-FTSP Advanced Adjusted Temperature FTSP

BTT Broadcast Transaction Table

CENS Center for Embedded Networked Systems

CSMA Carrier Sense Multiple Access

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

DARPA Defense Advanced Research Projects Agency

DPM Dynamic Power Management

DVS Dynamic Voltage Scaling

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

ED Energy Detection

EDF Earliest Deadline First

FFD Full Function Device

FIFO First In First Out

FPGA Field Programmable Gate Array

Fl di Ti S h i i P l

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xxiv Lista de Tablas

GTS Guaranteed Time Slot

GPS Global Positioning System

HF-FTSP Homomorphic Filtered FTSPHF2-FTSP Homomorphic Filtered Improved FTSP

IoT Internet of Things

ISM Industrial Scientical Medical

LAN Local Area Network

MAC Medium Access ControlMAN Metropolitan Area Network

NASA National Aeronautics and Space Administration

NCM Network Access Manager

NTP Network Time Protocol

QoS Quality of ServicePAN Personal Area Network

RBS Reference Broadcast Synchronization

RF Radio Frequency

RFD Reduced Function Device

SONAR Sound Navigation and Ranging

TCB Task Control Block

TDMA Time Division Multiple Access

TPSN Timing-Sync Protocol for Sensor Networks

WAN Wide Area Network

WISDEN Wireless Sensor Network for Structural-response DataAcquisition

WPAN Wireless Personal Area Network

WSN Wireless Sensor Networks

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Parte I

I N T R O D U C C I N

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1I N T R O D U C C I Nnd ice

1.1 Historia de las comunicaciones 41.1.1 Red de comunicaciones 4

1.2 Motivacin 61.2.1 Problemticas en las WSN 71.2.2 Sincronizacin en WSN 81.2.3 Osciladores: Variaciones de comportamiento 81.2.4 El error de sincronizacin 9

1.3 Campos de aplicacin 101.3.1 Monitorizacin ambiental 101.3.2 Monitorizacin sanitaria 111.3.3 Seguridad 121.3.4 Otros dominios de aplicacin 13

1.4 Marco de trabajo 161.4.1 Tiempo real en WSN 16

1.5 Planteamiento 171.5.1 Problemtica 181.5.2 mbito de actuacin 181.5.3 Objetivos cientcos de la Tesis 181.5.4 Propuesta inicial 19

1.6 Estructura de la Tesis 21

L a naturaleza racional del ser humano crea la necesidad de transmitirlas ideas, conocimientos y sentimientos existentes en el cerebro. Es-te proceso recibe el nombre de comunicacin. Segn Berelson [21], lacomunicacin se dene como la transmisin de informacin, ideas,emociones y habilidades, a travs de smbolos palabras, imgenes, -guras, grcos, etc.

Muchos han sido los avances cientco-tecnolgicos conseguidos des-de principios del S. XIX, hasta la actualidad, donde los seres humanospueden comunicarse con sus semejantes de manera instantnea a tra-vs de las redes de comunicaciones. Estos avances, plantean nuevos retos.Uno de los ms desaantes para la comunidad cientca es desarrollaraplicaciones de Tiempo Real haciendo uso de dispositivos de comuni-cacin autnomos con capacidad de comunicacin inalmbrica.

Esta Tesis Doctoral utiliza las comunicaciones inalmbricas de bajocoste, para llevar a cabo la propuesta de nuevos mecanismos de sincro-

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4 introduccin

1.1 HISTORIA DE LAS COMUNICACIONES

D esde el origen de los primeros procesos comunicativos del ser hu-mano hasta la actualidad, muchos han sido los dispositivos creados

para facilitar esta tarea:

En el ao 1832, Samuel Morse comienza a desarrollar un prototipode sistema telegrco con un electromagneto incorporado. Al ao si-guiente, en 1833, Morse realiza la primera demostracin pblica de sutelgrafo. El sistema no estara completamente listo para ser utilizadohasta el 1 de Mayo de 1844. Es en esta fecha, y gracias a la nanciacin

proporcionada por el gobierno de los Estados Unidos, cuando se lanzael primer mensaje telegraado de larga distancia. Este mensaje detalla- ba la nominacin de Henry Clay como aspirante a Presidente de losEstados Unidos. La comunicacin fue telegraada desde una conven-cin de su partido poltico en Baltimore al Capitolio, en Washington.

Unos aos ms tarde, en el ao 1857, Antonio Meucci desarrolla undispositivo con el objetivo de conectar su ocina y su dormitorio, si-tuado en el primer piso de su vivienda. La idea nace con la intencinde poder comunicarse con su esposa, la cual sufra una enfermedad

de tipo reumtico. Meucci, sin los medios econmicos sucientes parapatentar lo que acababa de crear, muestra su invento a Western Union.Western Union no slo hizo caso omiso a la creacin, sino que ademsse queda con los materiales entregados por Meucci. Este material ter-min en poder de Alexander Graham Bell, quien desarrolla un nuevotelfono como propio.

En 1876, Bell descubre la necesidad de utilizar corriente continua paratransmitir la voz humana. Gracias a esto, patent unas horas antes quesu compatriota Elisha Gray el primer telfono capaz de transmitir y

recibir voz humana con toda su calidad y timbre. Un siglo ms tarde,el ser humano ya cuenta con lneas telefnicas capaces de interconec-tar dos puntos cualesquiera del globo terrestre. Ya no slo se tiene lanecesidad de enviar y recibir comunicaciones de voz, se hace necesariala transmisin de datos. En base a este concepto, nace lo que se conocecomo Redes de Comunicacin. La idea principal es la de tener unared de computadoras diseada para permitir la comunicacin entreusuarios de diversos equipos. Para ello, se hara necesario hacer usode las ya existentes lneas telefnicas desplegadas a lo largo y anchode los diferentes territorios.

1.1.1 Red de comunicaciones

Licklider fue de los pioneros al proponer el concepto de una red mun-dial de comunicaciones. En 1960, en el documento Man-Computer Sym-

[ ] d l d d di l d d d

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1.1 historia de las comunicaciones 5

nadores, conectados mediante lneas de comunicacin de banda anchalas cuales proporcionan las funciones hoy existentes de las bibliotecas junto con anticipados avances en el guardado y adquisicin de infor-macin y otras funciones simbiticas.

A comienzos de los 60, la agencia ARPA, comienza el desarrollo de un ARPA : del ingls, Advanced ResearchProjects Agency sistema militar de comunicaciones en red con el n de conectar ordena-

dores de forma descentralizada. Con la descentralizacin, se asegura elcorrecto funcionamiento de las comunicaciones incluso bajo un ataqueenemigo en uno de los nodos de la red.

Unos aos ms tarde, en 1972, ARPA cambia su nombre. Nace DARPA DARPA : del ingls,Defense Advanced Research Projects Agency

transriendo nalmente la red ARPANET a la Agencia de Comunica-ciones de la Defensa para su uso como red operativa a mediados de1975. Una dcada ms tarde, se liberan los recursos creados con el nde hacer un uso civil de los mismos. Es aqu donde comienza el naci-miento de Internet.

Todos estos desarrollos responden a la necesidad de resolver un de-terminado problema por parte del ser humano. Desde el telgrafo deSamuel Morse hasta las actuales redes de comunicaciones dos son losingredientes principales: La Comunicacin y la Ingeniera.

En la actualidad, gracias al uso de Internet, todo el globo terrestreest conectado a travs de lneas de banda ancha. Segn la consultoraIHS[30],enelao2013 el nmero de dispositivos conectados a Internetalcanzar los 503,6 millones, frente a los 161 millones de 2010. Esto sedebe a la prolifelacin de las tecnologas inalmbricas. Gracias a ellasel acceso mvil a Internet se ha disparado en los ltimos aos.

La tecnologa inalmbrica ha permitido avances que, a nales de losaos 90, eran impensables. Gracias a ella es posible la comunicacinentre dispositivos mviles como por ejemplo smartphones, tablets, or-denadores porttiles, etc. Dentro de los avances proporcionados porlas tecnologas inalmbricas se encuentran las Redes Inalmbricas deSensores (en adelante WSN).

Una WSN es una red formada por mltiples pequeos dispositivos, WSN: Wireless Sensor Networks conocidos como nodos, los cuales estn estratgicamente distribuidos

con el objetivo de llevar a cabo una tarea global de forma colabora-tiva. Mediante el uso de WSN es posible obtener informacin de undeterminado entorno y, en caso necesario, hacer uso de la informacinrecopilada para llevar a cabo una actuacin o modicacin del entorno.

La aparicin de mltiples y diferentes tipos de dispositivos que pue-den formar una WSN, obliga a tener esquemas de sincronizacin conel n de ordenar de manera temporal el uso de los diferentes recursosdisponibles. Es por ello que el eje fundamental de esta Tesis Doctoral,gira en torno a la sincronizacin de los dispositivos de una WSN conindependencia de las caractersticas fsicas del entorno en el que la redsea desplegada.

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6 introduccin

1.2 MOTIVACIN SOCIAL Y PROBLEMTICA CIENTFICO- T CN ICA

T eniendo en cuenta que en esta Tesis Doctoral se exponen tcnicasde sincronizacin en WSN, resulta conveniente detallar una breve

exposicin de este mbito de trabajo e investigacin.

A medida que avanza el Siglo XXI, crece el inters por recolectar, inter-pretar y tomar decisiones en tiempo real en base a una serie de datosde un determinado entorno. Histricamente, la recoleccin de datosmediante el uso de redes de sensores cableadas supone un alto coste,tanto de instalacin como de mantenimiento.

Las primeras WSN datan de principios del 2000 [23, 47, 51, 61, 67].A pesar de su juventud, se han alcanzado grandes avances en la lti-ma dcada [27, 36, 44, 52, 53, 62, 100]. Las WSN pueden catalogarsedentro de los sistemas empotrados de comunicaciones. Este nuevo ti-po de sistema empotrado de comunicaciones proporciona conexionesinalmbricas redundantes y tolerantes a fallos entre sensores, actuado-res y controladores. La gran cantidad de proyectos desarrollados hapermitido desarrollar dispositivos de tamao y coste reducido al mis-mo tiempo que se han mejorado el rendimiento computacional de los

mismos.En la actualidad, en pleno apogeo del consumo de informacin, au-menta el uso de sensores inalmbricos remotos. Esta revolucin noest ocurriendo de manera fortuita, sino que es consecuencia directade las innovaciones alcanzadas en las comunicaciones inalmbricas ylos sistemas de procesamiento personales.

Segn Garca et al. [45], las WSN quedan clasicadas en cuatro grandescategoras: monitorizacin ambiental, monitorizacin biomdica, segu-

ridad y aplicaciones adicionales. Gracias a las WSN es posible mejorarla vida del ser humano en cualquier punto del planeta. El desplieguede WSN permite anticiparse a catstrofes provocadas por daos enestructuras arquitectnicas, mejorar la calidad del aire que se respira,mejorar los procesos de produccin en entornos agrcolas, localizar de-terminados objetos en interiores, monitorizar pacientes en hospitales yalmacenar informacin sobre su estado con el n de mejorar un diag-nstico mdico, etc.

A las posibilidades antes mencionadas, hay que aadir la posibilidad

de desplegar nodos en lugares de alta criticidad con suma facilidad.Las WSN permiten el despliegue de redes con una intervencin mni-ma por parte del ser humano, como por ejemplo, en situaciones quecomprometan la vida del mismo.

No cabe duda del alto impacto social de esta tecnologa y las conse-cuencias positivas que pueden tener para la mejora en la vida de losseres humanos Sin embargo no todo son ventajas existiendo una serie

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1.2 motivacin 7

de inconvenientes sobre los que est trabajando la comunidad investi-gadora con el n de solventarlos.

1.2.1 Problemticas en las WSN

Diferentes autores trabajan en los principales problemas de las WSN:

La eciencia energtica es, quizs, el mayor objetivo a alcanzar por cual-quier WSN. Hasta la fecha, muchas son las propuestas lanzadas porfabricantes e investigadores [2, 9, 11, 12, 16, 50] para mejorar el tiempode vida de todos y cada uno de los nodos que forman la red. A pesarde que el rendimiento de una WSN puede ser medido en trminos deeciencia energtica, son muchas las aplicaciones que fuerzan a haceruso, adems, de otras mtricas.

En la actualidad, muchas son las aplicaciones comercializadas en elcampo de las WSN. Muchas de ellas estn catalogadas como aplicacio-nes de Tiempo Real. Este tipo de aplicaciones poseen fuertes requisitos,entre los que se incluyen la minimizacin retardo y la robustez. Mar-tnez et al. [63] [64] [65] estn trabajando en polticas que mejoren lacalidad del servicio, ms comnmente conocida como QoS. QOS: del ingls,

QUALITY OF SERVICE

La seguridad es otro de los aspectos importantes en una WSN, en cual-quier caso se debe evitar el robo de informacin y ataques que com-prometan el correcto funcionamiento de la red. En este sentido, sonmuchos los autores que han llevado a cabo trabajos en este campo co-mo son Agah et al. [14], Deng et al. [32] y Khalil et al. [55] entre otros.

La sincronizacin es uno de los grandes problemas a los que se est en-frentando la comunidad investigadora desde la creacin de las WSN.En una WSN, al igual que en cualquier sistema distribuido, la sincro-nizacin temporal entre los diferentes nodos es un factor de vital im-portancia: Primero, para llevar a cabo tareas de coordinacin y colabo-racin entre los diferentes nodos de la red es necesario tener un relojglobal del sistema. Segundo, en una WSN los nodos podrn tener dosmodos de funcionamiento, activos y en bajo consumo. Para llevar a cabo polticas de minimizacin de bajo consumo, es necesario disponerde un reloj que determine cuando y durante cunto tiempo un nodoestar en cualquiera de los modos mencionados. Por ltimo, todos losnodos comparten un medio comn: El espectro electromagntico . ESPECTRO

ELECTROMAGNTICO:Distribucinenergtica del conjunto de las ondas electromagnticas

Gracias a la creacin de un reloj comn, podrn sincronizarse los no-dos de manera que hagan uso del medio de transmisin de la manerams eciente posible.

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8 introduccin

1.2.2 Sincronizacin en WSN

Histricamente, diversos estudios cientcos [86] han puesto de mani-esto la necesidad de sincronizar los diferentes elementos que formanuna red de sensores. Las motas que forman la red necesitan colaborary coordinar sus operaciones con el n de poder realizar una tarea desensado compleja. La fusin de datos, es un claro ejemplo de cmoutilizar datos de varias fuentes con el n de obtener un resultado com-plejo con completo signicado. Supngase una aplicacin de trackingde vehculos donde las motas reportan la localizacin y el tiempo en elque han sondeado el vehculo. Si las motas de la red no estn sincroni-zadas en el tiempo, sera imposible reconstruir la secuencia temporalde paquetes recibidos en el recolector de informacin.

La sincronizacin puede ser utilizada con el n de minimizar el con-sumo energtico de una red. Para ello, es posible denir ventanas detiempo donde las motas deben funcionar en un estado de bajo consu-mo. Por tanto, haciendo uso de polticas de bajo consumo energtico junto con sincronizacin de tiempo, sera posible tener coordinada todala red. De esta manera, las motas alternaran perodos de bajo consu-mo con perodos de extraccin de informacin del entorno. Para llevara cabo estas polticas de funcionamiento, es necesario tener la red sin-cronizada.

Los protocolos de planicacin de recursos, como por ejemplo TD-MA [84], son ampliamente utilizados para denir el uso de un deter-minado medio compartido, con el n de evitar colisiones de datos ydisminuir el consumo energtico. Este tipo de protocolos necesitan unesquema de sincronizacin para poder llevar a cabo su tarea.

Las aplicaciones previamente mencionadas ponen de maniesto la ne-cesidad de utilizar polticas de sincronizacin. Sin sincronizacin, lautilizacin de WSN en tareas complejas sera altamente ineciente.Cualquier poltica de sincronizacin requiere una serie de requisitosque permitan evaluar su rendimiento (Por ejemplo, precisin vs e-ciencia energtica).

1.2.3 Osciladores: Cambio de frecuencia

Cualquier sistema digital cuyo funcionamiento est controlado por unoscilador sufrir el efecto conocido como clock skew. El clock skewse dene como la variacin de frecuencia que sufre un oscilador conrespecto a su frecuencia nominal. El cristal de cuarzo encargado deproporcionar la frecuencia de oscilacin del oscilador puede sufrir li-geras variaciones en su funcionamiento sncrono. Esto es debido prin-cipalmente a dos factores [96]: la precisin del corte del cuarzo en elproceso de fabricacin y la variacin de las variables del entorno detrabajo (temperatura humedad presin etc) Estas pequeas variacio-

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1.2 motivacin 9

nes, acumuladas a lo largo del tiempo, provocarn un desfase en losrelojes de los sistemas controlados por el oscilador.

Existen diversas polticas que pueden ser aplicadas tanto en el arran-que del microprocesador como durante su funcionamiento con el nde mitigar el clock skew. En el caso de las WSN, por lo general, se uti-lizan osciladores de bajo coste. Esto provoca una menor calidad de loscomponentes que lo forman y, especialmente, del oscilador. Por ello,se hace totalmente necesario disponer de protocolos de sincronizacinque tengan en cuenta el valor del clock skew con el n de ajustar losrelojes de todos los componentes de las WSN. Slo as, se conseguirntener todos los nodos sincronizados.

La protocolos de sincronizacin deben tener en cuenta estas variacio-nes con el n de ajustar el reloj de cada nodo. Hasta la fecha, muchoshan sido los protocolos de sincronizacin implementados en WSN. Losms importantes son considerados RBS [35], TPSN [43] y FTSP [66].

1.2.4 El error de sincronizacin

Muchos de los dispositivos de uso diario del ser humano necesitan es-tar sincronizados para su correcto funcionamiento. Sin ir ms lejos or-denadores personales y servidores de todo el mundo estn sincroniza-dos entre s mediante el protocolo NTP. Los dispositivos sincronizados, NTP: del ingls,

Network Time Protocol no estn exentos de tener cierto error en su ajuste. Para cuanticar este

desajuste se tiene el trmino error de sincronizacin. Se dene el errorde sincronizacin como la diferencia entre los tiempos de sincroniza-cin de todos los dispositivos que forman un sistema distribuido desincronizacin.

Dependiendo del protocolo de sincronizacin, el error de sincroniza-cin tendr una precisin que podr ir desde los segundos hasta losmicrosegundos.

En el error de sincronizacin, juega un papel muy importante el co-rrecto funcionamiento del oscilador del microprocesador. Cuanto mspreciso sea ste, menores sern los errores acumulados a lo largo deltiempo. Uno de los principales objetivos de esta Tesis Doctoral es pre-cisamente ese. Independientemente de la precisin fsica que tenga unoscilador, se busca aportar un mecanismo software que permita mini-mizar las imprecisiones temporales.

La disminucin de error de sincronizacin es muy deseable. La mejorade este parmetro permite mejorar el desempeo de aplicaciones deTiempo Real. Adems, el hecho de proporcionar mecanismos de ajustedel error ms precisos, permitir reducir el nmero de resincronizacio-nes con la consiguiente mejora en el uso de la energa proporcionadapor las bateras.

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10 introduccin

1.3 CAMPOS DE APLICACIN

La motivacin principal del trabajo realizado en esta Tesis Doctoral esproporcionar una aplicacin real de la investigacin cientcotcnica

que sea til a los intereses de la sociedad. Por ello, a continuacin seindican algunos campos de aplicacin en los que la inclusin de las tc-nicas objeto de estudio en esta Tesis podran signicar un claro avance.Tras un anlisis de estos campos de aplicacin se ha delimitado el mar-co de trabajo, que ha servido para obtener dos tipos de caractersticas,las cuales acotan y determinan el trabajo de investigacin: los objetivoscientcos que deben cumplir los mtodos diseados y las restriccionestcnicas que la tecnologa actual impone en la implementacin de los

algoritmos desarrollados.

1.3.1 Monitorizacin ambiental

En un mundo afectado por el cambio climtico, las catstrofes natu-rales y la disminucin de los recursos, las WSN suponen un nuevomecanismo para la anticipacin y mitigacin de estas problemticas.Gracias al concepto de WSN, es posible desarrollar sistemas que res-pondan a las amenazas causadas por catstrofes naturales, accidentesen la industria, etc.

Las redes de sensores han evolucionado drsticamente. Las primerasredes de sensores estaban formadas por nodos pasivos, los cuales se li-mitaban a recopilar la informacin de un determinado entorno para suposterior anlisis por un especialista humano. En la actualidad, graciasa la mejora de los dispositivos de procesamiento, es posible capturarla informacin del entorno y tomar decisiones en Tiempo Real sin laintervencin del ser humano. Esto, evidentemente, mejora la velocidadde respuesta frente a cualquier tipo de accidente o catstrofe. Segnla naturaleza del nodo, podr ser catalogado como un nodo jo o m-

Figura 1.1Ejemplo de monito-rizacin ambiental:Viedos. Fuente:www.probesrl.net/

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1.3 campos de aplicacin 11

vil. Esto ltimo depender del lugar donde tenga que llevar a cabo sucometido de extraccin de informacin. Garca el al. [45] proponen lasiguiente clasicacin de la monitorizacin ambiental:

Monitorizacin meteorolgica

Monitorizacin geolgica

Monitorizacin de ecosistemas

Monitorizacin de contaminacin

Monitorizacin energtica

1.3.2 Monitorizacin sanitaria

Las WSN tienen un gran potencial en el mbito de la monitorizacinsanitaria. Entre sus aplicaciones, pueden encontrarse tratamientos far-macolgicos, monitorizacin de pacientes en hospitales, rescate de per-sonas as como sistemas de prevencin de desastres. Ms all de estasaplicaciones, las WSN pueden resolver problemas de la sociedad como

pueden ser el cuidado de personas con enfermedades crnicas, cuida-do de personas ancianas as como personas con problemas mentales ofsicos que les impidan realizar una vida cotidiana. Las WSN no slomejoran la vida de los colectivos previamente mencionados, sino queadems, mejora la vida de quienes cuidan a estas personas.

El uso de WSN en monitorizacin sanitaria es muy extenso, por ello,Garca et al. [45] clasican cinco categoras bien diferenciadas:

Monitorizacin de pacientes

Asistencia por invalidez

Figura 1.2Ejemplo de monito-rizacin ambiental:Invernadero. Fuente: www.probesrl.net/

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12 introduccin

Figura 1.3Monitorizacin decontaminacin. Fuen-te: Libelium

Rescaste de personas

Asistencia en enfermedades mentales y/o fsicas

1.3.3 Seguridad

El dominio de la seguridad se encarga de un amplio rango de proble-

mas como son la localizacin, el seguimiento de mercancas, deteccinde productos txicos, rescate de personas y seguridad domstica. Ade-ms de estos cometidos, la seguridad tambin abarca aspectos comodistribucin de WSN a gran escala, despliegues de redes multisalto ydisminucin del consumo energtico en los nodos.

En 1997, la agencia DARPA [95] arma lo siguiente: El coste deutilizar redes de sensores en aplicaciones militares no es un factora tener en cuenta si, a cambio, se obtiene ventaja estratgica en elcampo de batalla.

Segn Garca et al. [45], la vigilancia es el proceso de monitorizacinde personas, objetos o procesos. Precisamente, la vigilancia, es una delas aplicaciones ms demandadas y usadas dentro de las WSN debidoal bajo coste de implantacin que posee esta tecnologa en cualquiertipo de entorno. Gracias a la naturaleza inalmbrica de los nodos, esposible desplegar redes de vigilancia con el mnimo impacto posibleen la arquitectura de los lugares donde se llevar a cabo la labor deseguridad. Las aplicaciones de seguridad se clasican en dos:

Vigilancia en interiores

Vigilancia en exteriores

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1.3.4 Otros dominios de aplicacin

Adems de los dominios previamente mencionados, existen multitudde aplicaciones que por su naturaleza, resulta difcil clasicarlas en ba-se a los puntos antes expuestos. Estas aplicaciones van desde la monito-rizacin de estructuras, control energtico de edicios, monitorizacinde trco, aplicaciones militares hasta el control de almacenes entreotros.

Monitorizacin de estructuras

Los sistemas de monitorizacin de estructuras nacen como respuestaa la necesidad de detectar y localizar daos en estructuras edicios,puentes, barcos y aviones. Gracias a la naturaleza inalmbrica, baja-mente intrusiva y de bajo coste de las WSN, muchas son las aplicacio-nes de monitorizacin de estructuras que se estn desarrollando desdeel ao 2004 [71] [80] [97].

Los avances en la ingeniera estructural dependen de manera directade la disponibilidad de una serie de conjuntos de datos extrados de lasestructuras, como son las vibraciones en los materiales (producidas por

terremotos, paso de vehculos pesados, corrientes, etc.) y movimientosforzados. Hasta el ao 2004, los ingenieros de estructuras usaban sen-sores cableados o inalmbricos de un slo salto para adquirir los datosantes citados. Estos sistemas estn formados por pequeos sensoresque recopilan y almacenan las medidas de vibracin recopiladas porlos diferentes sensores desplegados. Sin embargo, el alto coste de es-tas soluciones impedan la expansin de estos procesos de adquisicinde datos. Gracias a las WSN, estos problemas han sido ampliamentesolventados, tal y como pone de maniesto el sistema WISDEN [97]. WISDEN: Wireless

sensor network for structural-response

data acquisitionDesde 2009, el sistema desarrollado por Ceriotti et. al [26], monitorizala Torre Aquila situada en Trento. La Torre Aquila, se vio afectada porel terremoto de LAquila. El terremoto de LAquila de 2009 fue unsismo de 6.3 grados en la escala sismolgica de magnitud de momentosegn la United States Geological Survey (6.7 grados en la escala deRichter) registrado el da 6 de abril de 2009 en la zona central de lapennsula Itlica. Segn datos del gobierno italiano, se contabilizaron308 muertos y ms de 1500 heridos. Muchos de sus edicios quedarondaados con un alto riesgo de derrumbe, entre ellos la Torre Aquila.Gracias a las WSN, la Torre Aquila, est completamente monitorizadapara asegurar su estabilidad.

Monitorizacin y control en edicios

En el mbito de la monitorizacin y control de edicios, han sido mu-chas y muy diversas las aplicaciones desarrolladas La monitorizacin

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14 introduccin

Figura 1.4Monitorizacin dela Torre LAquila.Fuente: NationalInstruments.

Figura 1.5Monitorizacin deestructuras. Fuente:Libelium.

y control de edicios tiene como objetivo la obtencin de todos aque-llos parmetros que conguran el entorno de un edicio. Estos par-metros son muy diversos, siendo los ms relevantes temperatura, hu-medad relativa, luminosidad, agentes contaminantes (dixido de car- bono, cidos, etc), etc. Haciendo uso de la informacin proporcionadapor estos parmetros es posible llevar a cabo actuaciones en el edicio.De esto modo, se tiene la capacidad de regular la temperatura de ma-nera automtica, regular los niveles de luminosidad de las diferentesestancias, regular los niveles de humedad, detectar altos niveles de con-taminantes, etc. Esta serie de actuaciones permiten mejorar el confortdentro de los edicios, as como llevar a cabo polticas de reduccindel consumo energtico (Dong et al. [33]).

Entre las diferentes propuestas dadas por la comunidad investigadorapueden encontrarse todo tipo de sistemas, como por ejemplo el pro-puesto por Rodrguez et al. [77], quienes proponen un sistema paraconservar los activos artsticos en museos mediante la regulacin detemperatura, humedad relativa, luminosidad y agentes contaminantes.

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De esto modo, es posible dar a cada obra artstica las condiciones ambientales necesarias para su correcta conservacin.

Monitorizacin en automviles

La industria del automovil es una de las ms importantes a nivel mun-dial. Las WSN son una oportunidad para mejorar las comunicacionesy servicios dentro del automovil. Desde el inicio de las WSN, muchoshan sido los trabajos realizados en el mbito automovilstico.

En la actualidad, cualquier automovil consta de decenas de sensorespara monitorizar el motor, los servicios encargados de la seguridad, el

confort, etc. El cableado utilizado para interconectar todos los sistemasde sensado de un automvil puede llegar a las decenas de metros.Esto supone un alto coste en la fabricacin de este cableado as comoun alto coste en caso de reparacin. Haciendo uso de WSN, es posiblereducir al mnimo el cableado necesario para interconectar todos estossistemas. Gracias a ello, podran reducirse los costos de fabricacin yreparacin de todos aquellos sistemas interconectados por cableado.

La comunicacin en WSN para automviles puede ser de dos tipos:Comunicacin vehculo a vehculo y comunicacin vehculo a un nodo

jo. Estos dos modos de comunicacin abren la puerta a innidad denuevas aplicaciones como el estacionamiento inteligente, prevencinde colisiones, transferencia de informacin multimedia, prevencin deaccidentes [54], deteccin de averas, informacin de trco, etc.

Monitorizacin de trco

El aumento del trco rodado en muchas de las carreteras de todo el

mundo comienza a ser un problema para los diferentes estados. Cual-Figura 1.6Bsqueda de apar-camiento mediante WSN. Fuente: Libe-llium.

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16 introduccin

quier solucin a este problema propio de los pases desarrollados re-quiere un mnimo de obtencin de datos acerca del estado del trco.

La gran mayora de sistemas de vigilancia del trco hacen uso de sen-sores altamente intrusivos [75]: detectores inductivos, detectores neu-mticos de suelo, etc. Todo ellos tienen un alto porcentaje de acierto(>97 %). Sin embargo, la instalacin y mantenimiento de este tipo desoluciones requiere un alto coste econmico y temporal. Las WSN pue-den ser utilizadas para extraer la informacin de trco y enviarla alpunto de recolector de datos donde se procesar toda la informacin.

El uso de WSN [29] [41] en aplicaciones de control de trco disminuyeel coste de instalacin de sensores instalados en la carretera y mejoralos tiempos de reparacin.

1.4 MARCO DE TRABAJO

T ras plantear la motivacin y un gran abanico de posibilidades de apli-cacin de esta Tesis, a continuacin se acota el marco de trabajo en

el que se ha desarrollado la investigacin. El uso de WSN en aplica-ciones de Tiempo Real requieren una gran precisin temporal en lostiempos de sincronizacin. Esta Tesis Doctoral pretende aportar unanueva perspectiva en cuanto a sincronizacin se reere, alcanzndoseuna sincronizacin a nivel de microsegundos, independientemente delas condiciones ambientales del entorno.

1.4.1 Tiempo real en WSN

Aquellas aplicaciones que tienen una serie de requisitos de tiempo es-trictos para su correcto funcionamiento son conocidas como aplicacio-nes de Tiempo Real. Las aplicaciones WSN con capacidad para cumplirlos requisitos temporales de aquellas redes inalmbricas que as lo re-quieran, son conocidas como Aplicaciones WSN de Tiempo Real. Duranteel anlisis y diseo de un sistema de una WSN de Tiempo Real ha detenerse en cuenta las restricciones temporales impuestas por el proble-ma a resolver.

Existen gran cantidad de aplicaciones de Tiempo Real donde puedehacerse uso del concepto de Tiempo Real. Considrese un escenario demonitorizacin de pacientes en hospitales. Cada paciente podr llevarsensores que midan su temperatura corporal, su pulso y su saturacinde oxgeno entre otros. En el caso de la temperatura temporal, es posible permitirse un cierto retardo en la recepcin de la informacin porparte del sistema central que recopile todos los datos de la red. Sin embargo, para los sensores de pulso y saturacin de oxgeno, el sistemacentral deber conocer con la mayor celeridad posible el estado de los

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1.5 planteamiento 17

mismos. Un cambio rpido en uno de estos parmetros puede resultarcrtico en la vida del paciente. Por ello, la WSN debe asegurar la correc-ta distribucin de la informacin en Tiempo Real con el n de poderprestar un ptimo servicio en la labor de monitorizacin del paciente.La red deber ser perfectamente diseada para avisar en Tiempo Reala los facultativos encargados de llevar a cabo el cuidado del paciente.

Muchos son los problemas a resolver para proporcionar soporte deTiempo Real. El principal problema es el uso del medio:

En cualquier red inalmbrica existe un medio compartido entretodos los nodos pertenecientes a la red. Por ello, resulta necesarioimplementar protocolos de Acceso Distribuido al Medio en la capaMAC de las pilas de protocolos, de manera que se garantice el MAC: Medium

Access Control ancho de banda necesario para la aplicacin de Tiempo Real.

Se deber garantizar un intervalo de retardo donde quede deni-do el mnimo y mximo retardo de comunicacin.

El soporte de Tiempo Real deber proporcionarse garantizandoel uso eciente del medio compartido con el n de evitar interfe-rencias. Al existir interferencias en la comunicacin ser necesa-rio llevar a cabo reenvos de los paquetes de informacin y, portanto, aumentar el consumo energtico.

El diseo de la WSN de Tiempo Real deber asegurar el correctodesempeo aun aumentando el nmero de nodos pertenecien-tes a la red. Bajo cualquier circunstancia, se debe asegurar unacorrecta escalabilidad de la red.

Haciendo uso del concepto de Tiempo Real, este trabajo lleva a cabola sincronizacin de tiempos en WSN de altas prestaciones desde elpunto de vista temporal. Los protocolos desarrollados permitirn tenerla red sincronizada con errores cercanos al nivel del microsegundo eindependientemente de la localizacin fsica en la que se encuentren.

Los resultados obtenidos haciendo uso del concepto de Tiempo Real,permitirn aplicar los protocolos desarrollados en entornos de alta cri-ticidad temporal.

1.5 PLANTEAMIENTO

A continuacin se expone el planteamiento inicial del trabajo de la pre-sente Tesis Doctoral. Esta seccin sirve como resumen de lo expuesto,

y muestra las primeras decisiones de diseo de entre las opciones an-teriormente descritas. He aqu el punto de inicio de la investigacin.

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18 introduccin

1.5.1 Problemtica

La problemtica que se desea resolver es la siguiente:

En general, las motas que forman una WSN son de bajo coste eco-nmico, lo cual redunda en hardware de baja calidad frente a va-riaciones climticas externas. Esto presenta un gran problema ensincronizacin de Tiempo Real, pues el cambio de frecuencia co-mo consecuencia de una variacin climatolgica puede provocarun error de sincronizacin de decenas de microsegundos en el mejor de los casos.

1.5.2 mbito de actuacin

De todos los posibles mbitos de actuacin descritos con anterioridad,este trabajo se centra en:

a . Aquellos sistemas que necesiten sincronizacin con un nivelde error de microsegundos.

b. Aquellos sistemas que, por su naturaleza, deban ser desple-gados en ambientes hostiles. Se considera un ambiente hostilaquel en el que puedan producirse grandes cambios de tem-peratura en cortos espacios temporales.

1.5.3 Objetivos cientcos de la Tesis

La presente Tesis Doctoral presenta varios objetivos que se puedendividir entre objetivos primarios y objetivos secundarios. Los objetivosprimarios son los que han marcado las directrices generales de la inves-tigacin y pretenden dar respuesta a las preguntas: Qu debe realizarel sistema? y Cmo de buenos son los resultados que proporciona?. Por otraparte, los objetivos secundarios son aquellos que se desea que cumplael sistema de manera adicional a los primarios. Con estos objetivos sepretende matizar la respuesta de Cmo deben realizarse las acciones delsistema?

OBJETIVOS PRIMARIOSComo Objetivos Primarios se desea:

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1.5 planteamiento 19

a . Implementacin del algoritmo de sincronizacin FTSP sobreuna WSN 802.15.4.

b. Mejora del algoritmo de sincronizacin FTSP mediante eldesarrollo de un mtodo eciente que permita minimizar elimpacto causado por las variaciones de temperatura sobre fre-cuencia del oscilador.

c . Llevar a cabo una evaluacin de la calidad del mtodo decorreccin por temperatura mediante la comparativa con res-pecto al algoritmo FTSP.

d . Aplicacin sobre una WSN 802.15.4.

OBJETIVOS SECUNDARIOSTambin se desea alcanzar los siguientes Objetivos Secundarios :

a . El sistema a desarrollar deber ser totalmente robusto frentea cambios bruscos de temperatura.

b. La solucin podr ser aplicada en cualquier algoritmo de sin-cronizacin que haga uso del concepto de clock skew.

1.5.4 Propuesta inicial

A partir de los Objetivos Principales se ha determinado qu herra-mientas y mtodos se deben desarrollar. Para conseguir dichos objeti-

vos ha sido necesario investigar y desarrollar un mtodo de sincroni-zacin en redes de sensores con ajuste por temperatura. De este mo-do, ser posible llevar a cabo sincronizaciones en WSN, con precisinde microsegundos, que sean desplegadas en ambientes donde puedandarse grandes cambios de temperatura en cortos espacios de tiempos.

Mtodo para la sincronizacin en WSN con precisin de microsegundos

En los ltimos aos, muchos han sido los trabajos publicados en elcampo de la sincronizacin en WSN. Por lo general, se ha trabajado endos corrientes de conocimiento. La primera de ellas busca la sincroni-zacin mediante la adquisicin y procesamiento de datos [85] [101], deeste modo es posible determinar los retardos de sincronizacin a travsde modelos matemticos. La segunda, analiza las fuentes de retardos ylas elimina desde la comunicacin en el nodo raz de la red[74] Ambas

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20 introduccin

corrientes de conocimiento han permitido alcanzar grandes avances encuanto a sincronizacin se reere [17, 28, 35, 43, 66, 76, 88, 90].

Elson et al., proponen en [35] el protocolo de sincronizacin RBS. ste,RBS: Del ingls,R EFERENCEBROADCAST S YNCHRONIZATION

hace uso de tramas beacon enviadas a sus vecinos. Las tramas beaconno contienen informacin de tiempos (en adelante Timestamp ). En suT IMESTAMP: M ARCA DE TIEMPO QUEIDENTIFICA UNEVENTO OCURRIDO

lugar, los receptores usan el tiempo de llegada de las tramas comoel tiempo de referencia para comparar sus relojes. Haciendo uso dela informacin intercambiada entre los nodos receptores se consiguedisminuir el tiempo de desfase entre ellos. Su alta tasa de envo demensajes lo convierten en una solucin inadecuada en trminos deeciencia energtica.

Con el n de mejorar el error de sincronizacin con respecto a RBS, Ga-neriwal et al. [43] proponen el protocolo TPSN. ste, utiliza un nuevoTPSN: Del ingls,T IMING-SYNC

PROTOCOL FOR SENSORS NETWORKS

esquema jerrquico de formacin de red. Gracias al uso de la jerar-qua es posible tener una red de N niveles sincronizada con el nodoraz. Para llevar a cabo este cometido, se denen dos fases: Una fase dedescubrimiento de nivel y una fase de sincronizacin. En la fase de des-cubrimiento, se dene la topologa y niveles de los que consta la red.La fase de sincronizacin, se encarga de comenzar el paso de mensajesnecesario para llevar a cabo la sincronizacin de los nodos. Al igualque RBS, el paso de mensajes resulta excesivo cuando el tamao de lared es considerable, perjudicando tanto el consumo energtico como eluso efectivo del canal de comunicaciones.

TPSN tampoco es perfecto tal y como demuestra Marti et al. [66] enFTSP. Gracias a este protocolo se alcanza gran abilidad en las sin-FTSP: Del ingls,

F LOODING T IMES YNCHRONIZATIONPROTOCOL

cronizaciones utilizando mensajes de inundacin de manera peridica junto con actualizacin dinmica de la topologa. Para garantizar unaalta precisin en las medidas, se hace uso de timestamp en capa MACas como compensacin de errores mediante estimacin de las dife-rencias de frecuencias de los diferentes osciladores de las motas (enadelante clock skew).

En este trabajo, se va a trabajar sobre la base de FTSP por dos clarosmotivos. El primero de ellos es el gran rendimiento de este algoritmodesde el punto de vista de la sincronizacin. Segn Marti et al. [66],haciendo uso de FTSP se puede llegar a alcanzar un error de sincro-nizacin de 1.5 s. El segundo, es debido al nmero de paquetes pornodo necesarios para llevar a cabo la sincronizacin. Con FTSP se dis-minuye el nmero de paquetes de sincronizacin con respecto a otrosalgoritmos [35, 43], esto redunda de manera directa en una reduccindel consumo energtico.

Mecanismo de correccin del impacto por temperatura sobre el oscilador de un microprocesador

Estudios realizados por Castillo-Secilla et al. [25] demuestran que ell d i i i FTSP i i d d

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1.6 estructura de la tesis 21

dientes de temperatura. Como consecuencia del cambio de frecuenciadel oscilador por temperatura, FTSP sufre un aumento en el error desincronizacin. Bajo un gradiente de temperatura de 17 C, el trabajo deCastillo-Secilla et al. demuestra que el error de sincronizacin aumentahasta los 3.078 s en un corto espacio temporal. Por tanto, queda paten-te la necesidad de desarrollar un mecanismo que mitigue los cambiosen la frecuencia del oscilador a causa de la temperatura. En esta TesisDoctoral se trabajar sobre este paradigma.

1.6 ESTRUCTURA DE LA TESIS

E sta Tesis Doctoral se ha estructurado en cinco partes, que a su vez sehan dividido en captulos. La estructura de partes desarrollada es lasiguiente:

INTRODUCCIN En esta Parte I se detalla la problemtica que estaTesis pretende resolver. Adems, se exponen desde un punto de vistacientco las posibilidades tecnolgicas e investagadoras existentes pa-ra llevar a cabo la resolucin de la problemtica planteada. Con el nde facilitar al lector la comprensin del mundo de las WSN, se incluyendominios de aplicacin en los que esta tecnologa est presente. Paranalizar el primer captulo, se jan los objetivos as como las actua-ciones iniciales que deben llevarse a cabo para resolver la problemticaplanteada en esta Tesis Doctoral.

REVISIN BIBLIOGRFICA La Parte II de la Tesis Doctoral consta dedos captulos. El objetivo de estos captulos es el de llevar a cabo unprofundo estudio del estado del arte que permita abordar con se-guridad los objetivos propuestos en la Parte I. En el primer captulode esta parte, se analizan las principales polticas de sincronizacinexistentes en WSN a travs de los parmetros, procedimientos y pro-tocolos ampliamente reconocidos por la comunidad investigadora. Porltimo, el segundo captulo de esta Revisin Bibliogrfica , estudialos principales protocolos de comunicacin inalmbrica existentes enWSN.

MTODOS Y MATERIALES La Parte III de esta Tesis Doctoral constade dos captulos. El primero de ellos demuestra la inuencia ejercidapor los gradientes trmicos en los osciladores de las motas de WSN,lo cual perjudica el correcto desempeo de los protocolos de sincroni-zacin. Este hecho, puede considerarse como la base principal de estaTesis Doctoral y punto de comienzo para la demostracin de la hipte -sis de trabajo . Para ello, se ha hecho uso del conocido y contrastadoprotocolo de sincronizacin FTSP. El segundo y ltimo captulo de es-ta Parte III, tiene como objetivo mitigar el efecto trmico producido

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22 introduccin

mita obtener un valor real del clock skew. Para ello, se han utilizado dosmtodos. El primero de ellos basado en la ecuacin caracterstica deloscilador de cuarzo utilizado junto con los valores de temperatura ambiente que afectan al mismo. El segundos de ellos, utiliza el conceptode temperatura y ecuacin caracterstica junto con un ltrado homomrco que podr separar las componentes de baja frecuencia de las dealta frecuencia del clock skew. Segn la hiptesis de trabajo , la utiliza-cin de estos mtodos mejorar el resultado de sincronizacin en WSNcon independencia de la temperatura existente.

RESULTADOS EXPERIMENTALES La Parte IV se encarga de presen-tar todas las pruebas experimentales realizadas en este trabajo. Con eln de facilitar la correcta comprensin de los resultados stos se handividido en tres grandes secciones: Conguracin de los experimentos,Resultados experimentales sin variacin de temperatura y Resultados experi-mentales con variacin de temperatura.

DISCUSIN Y CONCLUSIONES Esta parte est compuesta por doscaptulos, en los que se exponen las discusiones de los resultados -nales, las conclusiones y las principales aportaciones cientcas queproporciona esta Tesis Doctoral. Tambin, se indican posibles vas deinvestigacin futura.

BIBLIOGRAFA Y ANEXOS Como viene siendo habitual en este tipode documentos cientcos, se incluyen todas las referencias utilizadasa lo largo de la Tesis. Finalmente, se aaden una serie de anexos quepermiten profundizar en algunos de los temas de mayor relevancia es-tudiados en esta Tesis Doctoral: Hardware en WSN , Clock skew y Sistemasoperativos en WSN .

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Parte II

R E V I S I N B I B L I O G R F I C A

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2SINCRONI ZACIN EN REDES DE SENSORESnd ice

2.1 Evaluacin de polticas de sincronizacin en WSN 262.2 Parmetros involucrados en la sincronizacin de WSN 272.3 Procedimientos bsicos de sincronizacin en WSN 28

2.3.1 Paso de tiempos 282.3.2 Sincronizacin pair-wise 292.3.3 Reference Broadcasting 302.3.4 Timestamp en capa MAC 312.3.5 Timestamp en capa fsica 312.3.6 Estimacin del clock skew 31

2.4 Protocolos de sincronizacin en WSN 332.4.1 Reference Broadcast Synchronization 332.4.2 Timing-Sync Protocol for Sensor Networks 342.4.3 The Flooding Time Synchronization Protocol 37

2.5 Protocolos de sincronizacin basados en temperatura 372.5.1 Temperature Driven Time Synchronization (TDTS) 382.5.2 Environment Aware Clock Skew Estimation and Syn-

chronization for WSN (EACS) 382.6 Conclusiones 38

H istricamente , diversos estudios cientcos [86] han puesto de mani-esto la necesidad de sincronizar los diferentes elementos que for-

man una red de sensores. Las motas que forman la red necesitan co-laborar y coordinar sus operaciones con el n de poder realizar unatarea de sensado compleja. La fusin de datos, es un claro ejemplo decmo utilizar datos de varias fuentes con el n de obtener un resul-tado complejo con completo signicado. La sincronizacin puede serutilizada con el n de minimizar el consumo energtico de una red.Para ello, es posible denir ventanas de tiempo donde las motas deben funcionar en un estado de bajo consumo. Por tanto, haciendo usode polticas de bajo consumo energtico junto con sincronizacin detiempo, sera posible tener coordinada toda la red. De esta manera, lasmotas alternaran perodos de bajo consumo con perodos de extrac-cin de informacin del entorno. Para llevar a cabo estas polticas defuncionamiento, es necesario tener la red sincronizada.

Los protocolos de planicacin de recursos, como por ejemplo TDMA[91], son ampliamente utilizados para denir el uso de un determinadomedio compartido, con el n de evitar colisiones de datos y disminuirel consumo energtico. Este tipo de protocolos necesitan un esquema

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26 sincronizacin en redes de sensores

Las aplicaciones previamente mencionadas ponen de maniesto la ne-cesidad de utilizar polticas de sincronizacin. Sin el uso de la sincroni-zacin, el uso de redes de sensores en tareas complejas sera altamenteineciente. Cualquier poltica de sincronizacin requiere una serie derequisitos que permitan evaluar su rendimiento (por ejemplo, precisinvs eciencia energtica). A continuacin, se detallan los parmetros atener en cuenta a la hora de evaluar protocolos de sincronizacin enWSN.

2.1 EVALUACIN DE POLTICAS DE SINCRONIZACIN EN WSN

L os protocolos de sincronizacin en WSN deben ser evaluados segnla aplicacin nal de la red. Para ello, la literatura cientca aportalos siguientes parmetros [86].

EFICIENCIA ENERGTICA : Cualquier protocolo de sincronizacin, deber tener en cuenta los limitados recursos energticos de las mo-tas de una WSN.

ESCALABILIDAD: Un esquema de sincronizacin deber permitir lainclusin de nuevos elementos en la red sin que ello minimice la

eciencia de sincronizacin.PRECISIN: La necesidad de precisin en la sincronizacin depender

en gran medida de la aplicacin nal. En este sentido, es necesa-rio evaluar el entorno de aplicacin con el n de dar la precisintemporal adecuada.

ROBUSTEZ : Por lo general, una WSN deber pasar grandes perodosde tiempo funcionando de manera desatendida, por ejemplo enun entorno de funcionamiento hostil. En caso de fallo de alguna

de las motas, el esquema de sincronizacin deber permanecerinalterado y funcional para el resto de la red.

TIE MPO DE VI DA : La sincronizacin puede lograrse de manera instan-tnea o en un plazo de tiempo dependiendo del protocolo. Seacual fuere el esquema, ser necesario tener en cuenta este fun-cionamiento a la hora de decidir el esquema de sincronizacinnal.

MB ITO DE FUN CION AMIENT O: Los esquemas de sincronizacin, po-

drn ser aplicados a todos los nodos de la red o a zonas concretas.Este comportamiento se decidir en funcin de la tarea que reali-ce cada una de las zonas de la red. Podrn existir zonas dondedebido a una alta criticidad temporal sea necesario tener todoslos nodos bajo un mismo tiempo global. Por el contrario, existi-rn zonas donde no sea necesario mantener los nodos bajo unmismo tiempo global.

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2.2 parmetros involucrados en la sincronizacin de wsn 27

COSTE Y TAMAO: Las motas inalmbricas son, por lo general, de ta-mao y coste reducido. Por tanto, cualquier mtodo de sincro-nizacin que sea diseado deber tener en cuenta los recursoslimitados de estos dispositivos.

TIE MPO REAL : Algunas aplicaciones, como por ejemplo la deteccinde emergencias (deteccin de intrusos, deteccin de fugas, etc.),deben noticar inmediatamente al nodo recolector el evento pro-ducido. En este tipo de aplicaciones de alta criticidad, no es po-sible permitirse ningn tipo de retardo. Esto es conocido comocumplimiento de tiempo real, y debe tenerse en cuenta a la horade disear el protocolo de sincronizacin con el n de minimizarel retardo desde que ocurre el evento hasta que se notica.

2.2 PARMETROS INVOLUCRADOS EN LA SINCRONIZACIN DE WSN

L os requisitos de sincronizacin cambian de unas aplicaciones a otras.Sin embargo, todas las tcnicas de sincronizacin coinciden en algo:

Para llevar a cabo un proceso de sincronizacin se requiere un mnimopaso de mensajes entre los nodos. La cantidad de mensajes a intercam- biar depender del algoritmo de sincronizacin en cuestin. La calidadde la sincronizacn se mide mediante el error de sincronizacin, el cualmide las diferencias de tiempos entre los diferentes nodos de la red.Segn Boukerche [13], cualquier esquema de sincronizacin debera te-ner en cuenta los siguientes tiempos: tiempo de envo, tiempo de acceso,tiempo de propagacin y tiempo de recepcin.

TIE MPO DE ENVO: Cantidad de tiempo tomada por el emisor paraenviar el paquete de sincronizacin. Este tiempo incluye el tiem-po de generacin del paquete y el tiempo necesario para ponerel paquete en la interfaz de red.

TIE MPO DE ACCESO: Tiempo que transcurre desde que el paquete es-t en la capa MAC hasta que es emitido a travs del canal decomunicaciones. ste variar dependiendo de la carga del canal.A menor carga del canal, antes quedar el medio liberado paraproceder al envo del paquete a travs del medio. Existen multi-tud de protolos para llevar a cabo este cometido. Uno de ellos esCSMA, donde cada nodo deber sondear al medio con el n dedeterminar si el canal est siendo utilizado.

TIE MPO DE PR OPAGACIN: Es el tiempo tomado por los datos parallegar desde el emisor al receptor a travs del medio. El tiempode propagacin vendr dado por la velocidad de propagacindel medio a travs del cual se transmite la seal as como de ladistancia a la que se encuentren el emisor y el receptor.

TIE MPO DE RECE PC IN: Es el tiempo invertido por el receptor en re-

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tiempo de envo del ACK al emisor. El tiempo de recepcin podrvariar dependiendo de la capa en la que se realice el timestampTIMESTAMP: Tiempo

en el que ocurre undeterminado evento. del mensaje recibido.

La Figura 2.1 muestra todos los tiempos implicados con la misma lon-gitud, esto no ocurre as en la realidad. Cada componente de retardovariar dependiendo del tipo de comunicacin, del emisor, del receptory del trco existente en el canal de comunicaciones.

2.3 PROCEDIMIENTOS BSICOS DE SINCRONIZACIN EN WSN

I ndependientemente del sistema a sincronizar, existen una serie de pro-cedimientos bsicos que permitirn alcanzar el estado de sincroniza-cin. Los procedimientos mencionados, quedan recogidos en la TesisDoctoral de Ageev [15] y servirn de base para detallar los algoritmosclsicos de sincronizacin as como el procedimiento de sincronizacinpor ajuste de temperatura llevado a cabo en este trabajo.

2.3.1 Paso de tiempos

Cualquier algoritmo de sincronizacin en WSN lleva a cabo el envode informacin temporal entre un par de nodos. El procedimiento mssimple para llevar a cabo este cometido es la lectura del reloj localdel nodo, empaquetar la informacin temporal y enviarla a travs dela antena del nodo. A la llegada del paquete de datos al nodo recep-tor, ste podr determinar la diferencia temporal existente con el nodoemisor. Si la comunicacin entre ambos nodos fuera instantnea, seramuy fcil llevar a cabo este procedimiento, puesto que la informacinrecopilada sera totalmente vlida. Para ello, bastara con llevar a cabo

Figura 2.1Tiempos de incerti-dumbre en envo a travs de WSN

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2.3 procedimientos bsicos de sincronizacin en wsn 29

la operacin mostrada en la Ecuacin 2.1, donde d hace referencia aldesfase entre los nodos implicados.

d = t nodoEmisor t nodoReceptor (2.1)

Por desgracia, la comunicacin entre nodos as como el procesamientode la informacin no es instantnea. Por tanto, la simple transferenciao paso de tiempos no es suciente para llevar a cabo sincronizacinentre nodos. Slo en aplicaciones de bajas necesidades de precisinpodra llevarse a cabo este procedimiento.

2.3.2 Sincronizacin pair-wise

La sincronizacin pair-wise es una de las ms ampliamente utilizadaspara sincronizar dos nodos. El funcionamiento es el siguiente: Un nodoA enva un paquete de informacin con un valor de tiempo t1 hacia unnodo B. En la recepcin, el nodoB almacena el tiempo t2 en el que elevento de llegada ocurre. El valor de t2 ser igual a la suma de t1, elretardo de comunicacin C y el offset (d ) entre los relojes de los dos

nodos:

t 2 = t 1 + C + d (2.2)

En este momento, el nodo B enva un paquete de respuesta con unvalor de timestamp t3 hacia el nodo A . Este segundo paquete tambinincluye el valor t2. Para nalizar, el nodo A lleva a cabo el timestamp t4a la llegada del paquete procedente del nodo B. Suponiendo la latenciade sincronizacin simtrica (mismo retardo en ambas direcciones), elvalor de t4 vendr dado por:

t 4 = t 3 + C d (2.3)

Restando a la Ecuacin 2.3 la Ecuacin 2.2, se obtiene el offset entre losdos nodos:

t 4 t 2 = t 3 + C d t 1 C d (2.4)

t3 t 1 t 4 + t 2

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Adems, haciendo uso de las Ecuaciones 2.3 y 2.2, es posible determi-nar el retardo de comunicacin C.

t 4 + t 2 = t 3 + C d + t 1 + C + d (2.6)

C = t 4 + t 2 t 3 t 1

2 (2.7)

Tras el intercambio de paquetes, el nodo A tendr informacin nece-saria para determinar C y d. En el momento que el nodo A obtiene dpuede estimar el tiempo del nodo B y, en consecuencia, podr decirseque ambos nodos quedan sincronizados.

2.3.3 Reference Broadcasting

La sincronizacin de tipo pair-wise, asume que el retardo de comunica-cin C es el mismo en ambas direcciones y que el offset d se mantiene

invariable durante el intercambio de mensajes. En la realidad, ningunade estas dos suposiciones se cumple. Los retardos de comunicacin tie-nen componentes aleatorios y las frecuencias de los osciladores de cadanodo son ligeramente diferentes con respecto a su frecuencia nominal,lo cual incrementar las diferencias entre los relojes de los diferentesnodos. Esto provoca incertidumbre a la hora de obtener los diferentesparmetros involucrados en la sincronizacin.

La incertidumbre previamente mencionada puede ser reducida signi-cativamente haciendo uso de otro de los grandes procedimientos de

sincronizacin, el conocido como sincronizacin receptor a receptor o reference broadcasting.

En reference broadcasting, un grupo de nodos recibirn un mensaje des-de un nodo lder encargado de comenzar el procedimiento de sincroni-zacin. Los receptores del mensaje guardan el timestamp del evento dellegada. Tras la recepcin, cada uno de los nodos receptores enva por broadcast el timestamp de llegada del mensaje al resto de nodos a sualcance. Con esta informacin de timestamp, un nodo A puede estimarel desfase que tiene con respecto a un nodo B segn la Ecuacin 2.8.

d AB = t AR t BR (2.8)

Donde tAR y tBR son los timestamp de llegada guardados por el nodoA y B respectivamente. Ambos tiempos, corresponden al mismo even-

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2.3 procedimientos bsicos de sincronizacin en wsn 31

resulta ms efectivo que en la sincronizacin de tipo pair-wise, debido aque se eliminan las incertidumbres temporales causadas por los retar-dos de propagacin y procesamiento generados en el emisor. A pesarde eliminar la incertidumbre en el emisor, el paso de mensajes entrelos nodos receptores tambin provoca incertidumbres temporales. Estoprovoca que los relojes de los nodos dieran entre s y no sea posibleconseguir una sincronizacin cercana a la perfeccin.

2.3.4 Timestamp en capa MAC

La incertidumbre temporal introducida por los retardos de comunica-cin puede ser mitigada haciendo uso del concepto de timestampingen la capa MAC [43, 66]. Esta tcnica, guarda en la trama el valor de MAC: Del ingls,

MEDIA A CCESSCONTROL tiempo del nodo emisor justo cuando el paquete va a ser entregado en

la capa fsica. De la misma manera, cuando el paquete es recibido, seguarda la informacin correspondiente al tiempo de llegada. Con el nde reducir el tiempo de incertidumbre, este proceso se lleva a cabo enla capa MAC.

Cuando el paquete llega por completo al receptor, ste tiene un par detimestamps. Gracias a esta informacin, se puede determinar el offsetentre el nodo emisor y el nodo receptor con una alta precisin. Hacien-do uso de esta tcnica, la gran mayora de nodos que forman las WSNpueden ser sincronizados con una alta precisin eliminando toda laincertidumbre acumulada por las capas superiores a la capa MAC.

2.3.5 Timestamp en capa fsica

Los diferentes protocolos de sincronizacin que hacen uso de times-

tamp en capa MAC [43, 66] han demostrado su alta precisin, sin embargo, para llevar a cabo esta tcnica hay que llevar a cabo la modi-cacin de la pila de los protocolos de comunicacin donde vaya aser utilizada. Para evitar esto, se puede llevar a cabo la obtencin deltimestamp en capa fsica [39] sin llevar a cabo la modicacin de laspilas de comunicacin. Para llevar a cabo este cometido, la radio delnodo deber llevar un temporizador integrado, el cual grabar el tiem-po de llegada del paquete a la capa fsica. Por lo general, el timestampen capa fsica es ms preciso, puesto que no es necesario hacer uso deinterrupciones, las cuales podran provocar jitter en el conjunto de JITTER : V ARIABILIDAD

DEL TIEMPO DEEJECUCIN DE LAS TAREAS DEL SISTEMA todas las tareas del sistema.

2.3.6 Estimacin del clock skew

Los nodos que forman una WSN, por lo general, son de bajo coste. Losil d d d f b i d l id d f

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alto rendimiento en su frecuencia de oscilacin. Este hecho, provocaque dos nodos de iguales caractersticas puedan tener frecuencias deoscilacin ligeramente diferentes, lo cual provoca diferencias en losoffsets calculados. Como consecuencia del desfase en la frecuencia deoscilacin, se hace necesario recalcular las diferencias temporales demanera peridica supeditando la precisin a la periodicidad con laque se lleva a cabo la sincronizacin.

Partiendo de esta base, es posible llevar a cabo polticas que minimicenel impacto del oscilador sobre la precisin de sincronizacin. Para ello,se asume que la tendencia de crecimiento del offset ser lineal. Bajoesta premisa, es posible determinar el cambio en el offset d = tB tApor unidad de tiempo del nodo B. Este resultado ser la desviacinen la frecuencia del reloj o clock skew ( ). El clock skew, puede serdeterminado usando slo dos valores de offset d1 y d2 extrados demanera reciente en los instantes tB1 y tB2 en base al tiempo del nodo B:

= d2 d 1t B2 t B1

= (t B2 t A2 ) ( t B1 t A1 )

t B2 t B1(2.9)

Conociendo el valor del clock skew, cualquier timestamp tBX del nodoB puede ser llevado a un tiempo t

AX del nodo A :

t AX = t BX d x = t BX d 2 ( t BX d B2 ) (2.10)

Donde el offset dX es tratado como la suma del ltimo offset conocidod2 y el offset estimado durante el intervalo temporal tBX tB2 segnel reloj del nodo B. A pesar de poder calcular el clock skew siemprequedarn tiempos de incertidumbre derivados del procedimiento demedicin temporal llevado a cabo por el nodo de la WSN. Esto, afecta-r de manera directa al clculo del clock skew. Mediante el uso de unaregresin lineal es posible disminuir el impacto provocado por esto. Es-ta propuesta ha sido utilizada por Marti et al. en FTSP [66] con granxito. Para llevar a cabo el uso de la tcnica de regresin lineal, es ne-cesario tener varios pares de timestamp obtenidos mediante mensajesde sincronizacin emitidos de manera peridica. Haciendo uso de lostimestamp se obtienen los diferentes offsets, mientras que la regresinlineal lleva a cabo un ajuste lineal. La lnea de mejor ajuste es utilizadapara predecir los valores de offset en el futuro, de manera que cual-quier nodo siempre pueda estar sincronizado con respecto al reloj dereferencia.

Si las frecuencias de oscilacin de todos los nodos siempre fueran cons-tantes, la diferencia entre dos mediciones consecutivas siempre seranconstantes. Con diferencias constantes no sera necesario hacer el clcu-lo del clock skew, bastara con conocer el offset de cada uno de los

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2.4 protocolos de sincronizacin en wsn 33

ajuste. Sin embargo, esto no es posible. Tal y como detalla Vig en sutrabajo [96], los efectos de la edad y las modicaciones de los valoresambientales provocan un cambio en la frecuencia de un oscilador conrespecto a su frecuencia nominal.

Por tanto, sea cual sea el mtodo utilizado para sincronizar los nodosde una WSN, siempre ser necesario llevar a cabo el proceso de resin-cronizacin de manera peridica. La periodicidad de la sincronizacinvendr determinada por la precisin alcanzada en el algoritmo utiliza-do.

2.4 PROTOCOLOS DE SINCRONIZACIN EN WSN

E n los ltimos aos, muchos han sido los trabajos publicados en elcampo de las WSN. Por lo general, se ha trabajado en dos corrientes

de conocimiento. La primera de ellas busca la sincronizacin mediantela adquisicin y procesamiento de datos [85], de este modo es posibledeterminar los retardos de sincronizacin a travs de modelos matem-ticos. La segunda, analiza las fuentes de retardos y las elimina desde lacomunicacin en el nodo raz de la red [74]. Ambas corrientes de cono-cimiento han ev

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