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Redes inalámbricas– Redes con infraestructura– Redes sin infraestructura

Redes de sensores Tipos de aplicaciones Medios inalámbricos Ventajas y servicios de la red Características de las redes de sensores

– Consumo de energía restringido– Tiempo de vida

Distintos tipos de funcionamiento Algunos protocolos de ruteo

Redes de sensores inalámbricas- 2007

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Redes Inalámbricas

Las redes inalámbricas (Wireless) pueden clasificarse en dos grandes grupos:

– Redes con infraestructura– Redes sin infraestructura (Ad-Hoc)

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Redes con infraestructura

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Redes con infraestructura:

• Constan de un número fijo de enlaces cableados entre sí. Cada host móvil debe comunicar con uno de estos enlaces dentro de su radio de acción. El nodo puede moverse libremente pero si sale fuera del rango de su enlace, debe conectar con otro para asegurar que la información llegue a su destino. Un ejemplo de este tipo de redes es la red de telefonía móvil formada por numerosas estaciones y antenas dispersas por todas las ciudades.

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Redes Ad-hoc

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Redes Ad-hoc

• Formadas por hosts móviles y que pueden estar conectados entre sí arbitrariamente y de manera dinámica. Es decir, no hay ningún elemento fijo y la topología de la red puede adoptar múltiples formas siendo igual de funcional. En este tipo de redes, todos los nodos funcionan como encaminadores (routers) y se ven involucrados tanto en el descubrimiento como en el mantenimiento de rutas.

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Redes de sensores inalámbrica

Formada por nodos sensores que recolectan información del ambiente, procesan los datos y los transmiten a una estación base o nodo sink. Son un tipo de red ad-hoc

• En general el número de sensores es muy grande. Los nodos son fijos.

• La estructura de la red es cambiante.• Los nodos sensores, en general, no tienen

identificación.• Son redes con restricciones en energía y en ancho de

banda.

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Nodo sensor

IEEE Wireless Communications • December 2004

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Estación base

Es un nodo, que puede ser fijo o móvil, con la capacidad de conectar la red de sensores a una infraestructura ya existente o a Internet para que el usuario final utilice los datos.

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Tipos de aplicaciones

• Niveles de contaminación en cursos hídricos

• Monitoreo de la polución ambiental en sectores con alta densidad de tráfico automotor.

• Monitoreo de posibles incendios en bosques

• Monitoreo de silos para acopio de cereales

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Tipos de aplicaciones

• Monitoreo de la evolución del nivel de ríos y lluvias.

• Control sanitario del ganado vacuno.

• Monitoreo de personas.

• Aplicaciones militares

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Medios inalámbricos

Microondas terrestres Microondas por satélite Espectro infrarrojo (IR) Transmisión por ondas de luz Ondas de radio

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Ventajas de las redes inalámbricas

• Trabajan en entornos donde no es posible realizar cableado. •La disposición de los nodos puede ser cambiante. •Los sensores en general son baratos y es habitual que existan muchos de ellos en una red.

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Servicios que aporta la red

Sensar parámetros de interés. Supervisión continua del área a estudiar. Disponibilidad de datos para estadística. Alertas frente a situaciones criticas.

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Características de la red

Las características de la red de sensores dependen fuertemente de la aplicación específica.

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Características de una red de sensores

Tolerancia a fallas Tiempo de vida Calidad de servicio Escalabilidad Amplio rango de densidad de nodos Operación eficiente en energía Autoconfiguración Colaboración entre nodos y procesamiento

distribuido en la red. Ruteo centrado en datos

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Consumo de energía

Proceso Comunicación

Energía finita y generalmente no renovable

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Consumo de energía

Energía finita y generalmente no renovable

Comunicación

Capacidad de proceso distribuida

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Paradigmas de comunicación

Cualquier nodo a cualquier nodo (redes ad-hoc)

Varios nodos a uno ( redes sensores) Uno a varios nodos

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Distintas posibilidades de funcionamiento de la red

La interacción entre el sink y los nodos sensores determinan distintos tipos de aplicaciones: Detección de eventosMedición periódica.Combinar distintas de estas alternativas

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Distribución de los nodos sensores

Distribución random Distribución fija Nodos móviles

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Protocolos de ruteo

Protocolos de ruteo convencionales no son aptos por el problema de limitación de energía.Iniciado en la fuente (sink) o en el destino (nodos).Directo, varios saltos, clusters directo o multihop.

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Directo vs varios saltos

Conventional Approaches

Directional vs. multi-hop

Short system lifetime

Routing and Clustering

Xing Zheng

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Clusters

Es un grupo de sensores que se comunican con un nodo, llamado cabecera de cluster, que es el que procesa y realiza la agregación de los mensajes recibidos.

Hierarchical-Battery Aware Routing in WirelessSensor NetworksRavi Musunuri Jorge A. Cobb

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Algunos protocolos de ruteo

Spin Difusion dirigida Leach

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Protocolos basados en la negociación

SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation)Usan descriptores de información para negociación, antes de transmitir los datos.

Existe toda una familia de protocolos SPIN.

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Tipos de mensajes

ADV : Cuando un nodo SPIN tiene algún dato para transmitir, envía un mensaje ADV a sus vecinos conteniendo descriptores del dato.

REQ : Cuando un nodo SPIN desea recibir datos, envía un mensaje REQ.

DATA : Es el mensaje de datos

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Difusión dirigida

Es un protocolo de diseminación de datos reactivo, donde las rutas se calculan cuando son necesarias. La comunicación la inicia el nodo sink.

Se propaga un interés por la red, a partir del sink. Aquellos que satisfacen el interés envían datos hacia ese nodo.

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Todos los nodos tienen una cache de intereses. Cada interés contiene distintos campos, además del propio interés:

Timestamp:tiempo en que se recibió el interésGradient:valoración de los datos dada por cada vecino y direcciónDuration: tiempo de vida del interés

Difusión dirigida

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Cuando un nodo recibe un interes:– Busca en su cache si existe uno que haga

matching: Si no existe lo guarda, colocandole un gradiente

(valoración y sentido), asi como timestamp y duración.

Si existe le actualiza timestamp y duración

Difusión dirigida

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Un nodo que recibe un interés de un vecino lo puede reenviar, estableciéndose la difusión en la red.

Cuando un nodo detecta un evento, busca en su cache de interés para ver si tiene algún interés que haga matching, si lo encuentra comienza a transmitir a sus vecinos hasta que el sink determine cual es la mejor ruta a seguir.

Difusión dirigida

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Leach

Trabaja con clusters. La selección del cabecera de cluster se realiza en

forma dinámica mediante algún algoritmo basado en randomizacion de forma que el drenaje de energía sea lo más uniforme posible.

Existe un número optimo de cluster a seleccionar que tiene relación con la cantidad total de nodos de la red. (5%)

Utiliza agregación de datos.

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Agregación

La agregación es una técnica que permite ahorrar energía en una red de sensores. Es una función que debe realizar el cabecera de clusters antes de enviar hacia el sink el mensaje consolidado

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Tiempo de vida de la red

Strengths

Dynamic cluster distribution

Extend system lifetime

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Aplicaciones

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Aplicaciones en desarrollo

Great Duck Island. Environmental monitoring. Red de sensores para observar el comportamiento de una especie de aves. Berkeley University

SSIM (artificial retina) [19] Health Image identification, 100 sensors per retina. Michigan University

Object tracking .Military Collaborative. Zurich University

Smart kindergarten: sensor-based wireless networks for smart developmental problem-solving enviroments. Universidad de los Angeles

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Referencias

A taxonomy of wireless micro-sensor networks. Tilak S, Ghazaleh A & Heinzelman W.

A Survey on Routing Protocols for Wireless Sensor Networks. Kemal Akkaya and Mohamed Younis

A Survey of Application Distribution in Wireless Sensor Networks. EURASIP Journal onWireless Communications and Networking 2005:5, 774–788. 2005 Mauri Kuorilehto et al.

A short survey of wireless sensor networks. Holger Karl, Andreas Willig Hierarchical-Battery Aware Routing in Wireless Sensor Networks. Ravi

Musunuri Jorge A. Cobb Wireless sensor networks: a survey. I.F. Akyildiz, W. Su*, Y.

Sankarasubramaniam, E. Cayirci