SECRETARIA JC INDEPENDITE -...

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CAPÍTULO 3

REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS.

Las redes de sensores inalámbricas constituyen un área de investigación

creciente y apasionante que, recientemente, ha atraído la atención de la

comunidad investigadora. La creación de redes de sensores de gran escala

interconectando desde varios cientos hasta unos pocos de miles de nodos sensores

abre varios desafíos técnicos y una gran variedad de posibles aplicaciones en

campos tan diversos como el militar, médico, industrial y doméstico. Las WSNs se

han trasladado desde el dominio de investigación hasta el mundo real con la

disponibilidad comercial de sensores con capacidad de encaminamiento.

1 Introducción.

Avances recientes en sistemas microelectromecánicos (MEMS),

comunicaciones inalámbricas y electrónica digital, han permitido el desarrollo de

nodos sensores multifuncionales, de bajo coste y bajo consumo energético, con un

reducido tamaño y que se comunican inalámbricamente en distancias cortas. Estos

nodos diminutos, que están equipados con uno o más sensores, un procesador,

una memoria, una fuente de alimentación, un transceptor radio y un actuador2,

2 Un actuador es un dispositivo electromecánico que se puede usar para controlar diferentes

componentes en un sistema. En un nodo sensor, los actuadores pueden actuar sobre los sensores, mover los nodos o monitorizar la energía en un nodo.

LOCALIZACIÓN EN INTERIORES USANDO REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES

34

JOSÉ CARLOS REYES GUERRERO

permiten el diseño de WSNs basadas en la colaboración de un gran número de

nodos para desempeñar una tarea determinada.

Las WSNs suponen una considerable mejora sobre los sensores

tradicionales, que eran desplegados de una de las siguientes maneras [23]:

� Los sensores eran colocados lejos del fenómeno real bajo estudio. En esta

aproximación, se requerían sensores grandes que usasen algunas técnicas

complejas para distinguir los objetivos del ruido presente en el ambiente.

� Los sensores eran colocados sobre el fenómeno real bajo estudio pero las

posiciones de éstos y la topología de red se fijaban en una fase previa al

despliegue. Además, los nodos transmitían, de forma periódica, las

medidas tomadas del fenómeno a un nodo central donde se realizaba el

procesamiento de datos.

En cambio, una WSN tiene poca o ninguna infraestructura y, generalmente,

está constituida de un gran número de nodos sensores (desde varias decenas hasta

miles de nodos) que son desplegados sobre el fenómeno de interés o muy cerca de

él para poder monitorizarlo.

Los nodos pueden organizarse de forma automática en racimos o grupos, o

bien colaborar juntos para completar una tarea ordenada por el usuario. Además,

la posición de estos nodos no necesita ser predefinida. Como resultado, las WSNs

están preparadas para desarrollar una gran variedad de aplicaciones, por ejemplo,

seguimiento de la localización de objetivos y monitorización del medio ambiente

en áreas de acceso restringido.

Debido a que los nodos tienen limitada su capacidad de almacenamiento y

que son desplegados típicamente en localizaciones de difícil acceso, se hace

necesario dotarlos de un transceptor radio para que puedan comunicarse

inalámbricamente entre ellos o con una estación base (por ejemplo, un PC, un

punto de acceso de una infraestructura fija, etc.) que actúa como sumidero de los

datos recogidos por todos los nodos de la red.

Además, dado que estas aplicaciones generan gran cantidad de datos, éstos

pueden ser reunidos o agregados para reducir la energía consumida. Los nodos

sensores usan sus habilidades de procesamiento para llevar a cabo, de forma local,

cómputos simples y transmitir únicamente los datos requeridos.

Aunque han sido muchos los algoritmos propuestos para las tradicionales

redes inalámbricas ad-hoc, éstos no se ajustan a las características únicas y a los

CAPÍTULO 4. ENTORNO DE TRABAJO

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requerimientos de las aplicaciones en WSNs. Para ilustrar este punto, se enumeran

a continuación las diferencias entre las WSNs y las redes tradicionales ad-hoc [23]:

� El número de nodos sensores en una WSN puede ser varios órdenes de

magnitud superior que el de una red ad-hoc tradicional.

� Generalmente, los nodos sensores son desplegados de forma densa.

� Los nodos sensores son propensos a fallos.

� La topología de una WSN cambia frecuentemente.

� Los nodos sensores usan principalmente comunicaciones en difusión,

mientras que la mayoría de redes ad-hoc tradicionales están basadas en

comunicaciones punto a punto.

� Los nodos sensores están limitados en potencia, capacidades

computacionales y almacenamiento.

� Los nodos sensores, a priori, no pueden tener una identidad global (ID)

debido a la gran cantidad de nodos que en ocasiones presenta una red.

� Las WSNs son desplegadas normalmente para una aplicación en particular,

mientras que las redes ad-hoc son construidas en su mayoría para

propósitos de comunicación.

Así, como se explicará en los siguientes apartados, a diferencia de otras

redes, una WSN tiene sus propias restricciones de diseño y limitaciones de

recursos. En cuanto a estas limitaciones, se pueden citar las energéticas, corto

rango de transmisión, reducido ancho de banda y capacidades limitadas de

procesamiento y almacenamiento en cada nodo. Por otro lado, las restricciones de

diseño son dependientes de la aplicación y están relacionadas directamente con el

entorno monitorizado. El entorno bajo estudio juega un papel fundamental para

determinar el tamaño de la WSN, el esquema de despliegue y la topología de la

red. El tamaño de la red varía con el entorno: mientras que en entornos de interior

se necesitan pocos nodos para formar una red en un espacio limitado, en

exteriores se puede necesitar de una gran cantidad de nodos para monitorizar

áreas extensas.

Las aplicaciones en WSNs y los protocolos de comunicación están enfocados

principalmente en proveer alta eficiencia energética, ya que los nodos sensores

están provistos de pequeñas baterías que generalmente son difíciles de sustituir.

Por lo tanto, mientras las redes tradicionales están orientadas a alcanzar un nivel


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de calidad de servicio (Qos) predeterminado, los protocolos en WSNs se centran en

la conservación de energía.

Existen dos tipos de WSNs: estructuradas y no estructuradas. Una WSN no

estructurada consiste en una red de sensores que contiene una colección densa de

nodos, pudiendo ser desplegados de una manera aleatoria en el entorno. Una vez

desplegada, la red queda desatendida realizando las funciones para las que se

diseñó. En este tipo de WSN, tanto el mantenimiento de funciones de red como la

conectividad y fallos en la detección, es difícil debido a la gran cantidad de nodos

presentes. Por otro lado, en las WSNs estructuradas, todos o algunos de los nodos

son colocados en posiciones predefinidas. La ventaja de este tipo de redes es que

los nodos pueden ser desplegados con un menor coste de gestión y mantenimiento

de red. Además, se necesitan menos nodos en el despliegue ya que éstos se

colocan en posiciones específicas para proporcionar la cobertura deseada,

mientras que en despliegues aleatorios pueden quedar regiones sin cobertura.

El estado actual de las tecnologías sensoras permite el diseño y desarrollo

de diversidad de aplicaciones en WSNs. En el Apartado 8 se introducen los

fabricantes de tecnologías sensoras más representativos en la actualidad. Los

nodos sensores disponibles en el mercado incluyen nodos genéricos

(multipropósito) y nodos gateway (pasarelas). La tarea del nodo genérico es tomar

medidas del entorno monitorizado. Éste puede estar equipado con gran variedad

de dispositivos sensores que pueden medir múltiples atributos físicos como la luz,

la temperatura, la humedad, la presión barométrica, la velocidad, la aceleración, la

acústica, el campo magnético, etc. Los nodos gateway reúnen los datos

provenientes de los nodos genéricos y los transmiten a la estación base. Estos

nodos pueden tener una capacidad de procesamiento más alta, mayor fuente de

alimentación y mayor rango de transmisión. Un posible esquema con los

elementos involucrados en una WSN se muestra en la Figura 10. Generalmente,

para formar una WSN se despliega una combinación de nodos genéricos y

gateways. Además, la estación base es la encargada de establecer la comunicación

con redes externas, como por ejemplo Internet, posibilitando que una WSN sea

controlada de forma remota.


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Los aspectos involucrados en el diseño de aplicaciones en WSNs se pueden

clasificar, de forma general, en tres grupos como se muestra en la Figura 11 [20].

Nodo genérico

Nodo gateway

Estación base Otras

redes

Figura 10. Posible esquema de los elementos involucrados en una WSN.

Aplicaciones

Tecnología Sensora

Servicios

Localización

Cobertura

Seguridad

Sincronización

Agregación de datos

Optimización de capas

Protocolos de

Comunicación

Capa de Trasporte

Capa de Red

Capa de Enlace

Sistema

Plataforma Hardware

Sistema Operativo

Almacenamiento

Evaluación Rendimiento

Figura 11. Clasificación general de varios aspectos de una WSN.


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El primer grupo es el sistema. Cada nodo sensor puede considerarse como

un sistema individual. Dada la diversidad de aplicaciones existentes, es necesario el

desarrollo de nuevas plataformas, sistemas operativos y esquemas de

almacenamiento para los sistemas sensores. En el segundo grupo se engloban los

protocolos de comunicación, que permiten tanto la comunicación entre la

aplicación y los sensores, como entre los propios nodos de la red. En el último

grupo se incluyen los servicios, que son desarrollados para mejorar las aplicaciones,

el funcionamiento del sistema y la eficiencia de la red.

2 Tipos de Redes de Sensores Inalámbricas.

Las WSNs actuales pueden ser desplegadas sobre la superficie de la Tierra,

debajo de la superficie terrestre o bajo el agua. Dependiendo del entorno, una

WSN afronta desafíos y restricciones diferentes. Así, se distinguen cinco tipos de

WSNs: terrestres, subterráneas, submarinas, multimedia y móviles.

2.1 Redes de Sensores Terrestres.

Las WSNs terrestres consisten en varios cientos o unos miles de nodos

sensores de bajo coste, desplegados en un área dada de forma aleatoria o

predefinida. En despliegues aleatorios los nodos pueden ser arrojados desde un

avión sobre el área objetivo. En cambio, en un despliegue planificado, hay un

estudio previo de las localizaciones de los nodos.

En una WSN terrestre, la comunicación fiable en un entorno denso es muy

importante. Los nodos sensores deben ser capaces de transmitir los datos a la

estación base eficientemente. Aunque la energía de la batería es limitada y no

pueda ser recargada, los nodos podrían ser equipados con una fuente de

alimentación secundaria como son las células solares. En cualquier caso, es

importante para los nodos conservar energía y esto puede llevarse a la práctica con

un encaminamiento salto a salto óptimo de los datos, utilizando rangos de

transmisión cortos, agregando datos en la red, eliminado la redundancia en los

datos, minimizando retrasos y utilizando bajos ciclo de trabajo (duty cycle).

2.2 Redes de Sensores Subterráneas.

Las WSNs subterráneas consisten en el despliegue de nodos sensores

enterrados bajo la superficie de La Tierra o en una cueva o mina, utilizados para

monitorizar las condiciones subterráneas. Adicionalmente, los nodos gateway son

colocados sobre la superficie de la tierra para retransmitir la información de los

nodos a la estación base. Este tipo de redes es más cara que las terrestres en

términos de equipamiento, despliegue y mantenimiento. Los nodos subterráneos

son caros porque parte del equipamiento debe ser seleccionado adecuadamente


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para asegurar una comunicación fiable a través del suelo, rocas, agua, y cualquier

otro contenido mineral que se presente.

El entorno subterráneo compromete a la comunicación inalámbrica debido

a pérdidas de señal y los altos niveles de atenuación. A diferencia de las WSNs

terrestres, el despliegue de este tipo de redes requiere una planificación cuidadosa

y consideraciones de coste y energía adicionales. La energía es un aspecto

importante en WSNs subterráneas. Como ocurre con las WSNs terrestres, los

nodos subterráneos están equipados con una batería limitada y una vez

desplegados, es difícil de recargar o sustituir. Como antes, un objetivo clave es

conservar la energía para prolongar el tiempo de vida de la red, que se podrá llevar

a la práctica mediante el empleo de protocolos de comunicación eficientes.

2.3 Redes de Sensores Submarinas.

Las WSNs submarinas consisten en un número de nodos sensores y

vehículos desplegados bajo el agua, en el entorno de interés. Al contrario que las

WSNs terrestres, los nodos submarinos son más caros y se despliega un menor

número de ellos. Los vehículos autónomos submarinos se usan para la exploración

o recogida de datos de los nodos. Las comunicaciones inalámbricas típicas en este

entorno se establecen a través de ondas acústicas. Los retos en este tipo de

comunicaciones son el limitado ancho de banda, el elevado retraso de propagación

y los desvanecimientos de señal. Además, hay que tener en cuenta que

condiciones ambientales muy desfavorables pueden provocar que los nodos sean

más propensos a fallos. Los nodos submarinos deben ser capaces de configurarse

de forma automática y adaptarse al entorno hostil del océano. En cuanto al

aspecto energético, al igual que ocurre con los tipos de WSNs citados

anteriormente, estos nodos están equipados con una batería limitada que no

puede ser substituida o recargada. La conservación de energía en estas redes

implica comunicaciones submarinas y técnicas de encaminamiento de red

eficientes.

2.4 Redes de Sensores Multimedia.

Las WSNs multimedia han sido propuestas para permitir la monitorización y

detección de eventos en forma multimedia como el vídeo, audio, e imagen. Estas

redes consisten en el despliegue de un número de nodos sensores de bajo coste

equipados con cámaras y micrófonos, que se interconectan entre ellos mediante

conexiones inalámbricas para la recuperación, procesamiento, correlación y

compresión de datos.

Generalmente, los nodos multimedia se despliegan de una manera

planificada en el entorno para garantizar la cobertura requerida. Los retos en estas

redes incluyen la alta demanda de ancho de banda, el alto consumo energético, la


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calidad de servicio (QoS) proporcionada, técnicas de procesamiento y compresión

de datos y un diseño eficiente de la pila de protocolos. Contenido multimedia como

el de un flujo de vídeo, requiere de gran ancho de banda para ser transmitido. Por

consiguiente, altas tasas de datos conducen a un alto consumo energético y por

ello, tienen que desarrollarse técnicas de transmisión de gran ancho de banda y

bajo consumo de energía. Además, es importante mantener un nivel de QoS para

la entrega fiable del contenido multimedia. El procesamiento, filtrado y la

compresión pueden mejorar considerablemente el funcionamiento de red debido a

que se filtra y extrae la información redundante del contenido. Asimismo, un

diseño que tenga en cuenta la interacción entre las distintas capas de

comunicación puede mejorar el procesamiento de datos y la transmisión de

información.

2.5 Redes de Sensores Móviles.

Las WSNs móviles consisten en un conjunto de nodos sensores que pueden

moverse e interactuar con el entorno. Estos nodos tienen la capacidad de medir,

procesar y comunicar como los nodos estáticos de las redes citadas anteriormente.

Una diferencia clave es que estos nodos tienen la capacidad de recolocarse y

organizarse en la red. Por ello, estas redes pueden comenzar con algún despliegue

inicial y a partir de éste los nodos tienen la posibilidad de extenderse para reunir la

información deseada. Esta información puede ser comunicada entre nodos

únicamente cuando estén dentro del rango de cobertura conjunto. Otra diferencia

clave se encuentra en la distribución de datos. En una WSN estática, los datos

pueden ser distribuidos usando un encaminamiento fijo o mediante inundaciones,

mientras que en las WSNs móviles se usa un encaminamiento dinámico. Los retos

en este tipo de redes incluyen el despliegue, localización, organización automática,

navegación y control, cobertura, energía, mantenimiento y procesamiento de

datos.

3 Aplicaciones en Redes de Sensores Inalámbricas.

Las aplicaciones en WSNs se pueden clasificar de muy diversas formas, una

de ellas es la mostrada en la Figura 12 en la que se observa que las aplicaciones

pueden dividirse en dos categorías [20]: monitorización y seguimiento.


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Figura 12. Visión general de las aplicaciones en WSNs.

Las aplicaciones de monitorización incluyen: la monitorización ambiental en

entornos de interior y exterior, la de la salud y bienestar de las personas, la de

energía, la de ubicación de inventario, la automatización de procesos y sistemas de

producción, y la monitorización sísmica y estructural. Por otro lado las aplicaciones

de seguimiento engloban el seguimiento de objetos, animales, personas y

vehículos.

A continuación se describirán a modo de ejemplo algunas de las

innumerables aplicaciones en WSNs clasificadas dentro de las siguientes áreas:

militar, medioambiente, salud, industrial y comercial [21].

3.1 Aplicaciones militares.

Las WSNs pueden ser una parte integrante de sistemas de comando militar,

control, comunicaciones, informática, inteligencia, vigilancia, reconocimiento y

seguimiento. El despliegue rápido y las características de organización automática y

tolerancia a fallos en WSNs, hacen posible el desarrollo de estas aplicaciones.

Debido a que las WSNs están basadas en el despliegue denso de nodos

económicos, la destrucción de algunos nodos por acciones hostiles no afectará una

operación militar tanto como la destrucción de un sensor tradicional.

Algunas de las aplicaciones militares son la supervisión de fuerzas amigas,

equipos y municiones, la vigilancia en el campo de batalla, el reconocimiento de

terrenos y fuerzas enemigas, apuntamiento, evaluación de los daños en las batallas

WSN

Monitorización

Militar

Seguridad

Hábitat

Fauna

Negocio

Inventario

Industrial

Química Máquinas Fábricas

Salud

Pacientes

Medioambiente

Temperatura Presión, etc.

Seguimiento

Militar

Tropas enemigas

Hábitat

Fauna

Negocio

Personas

Industrial

Tráfico Vehículos


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y reconocimiento y detección de ataques nucleares, biológicos y de sustancias

químicas. A continuación se describen algunas de éstas.

� Vigilancia en el campo de batalla: terrenos críticos, rutas de acercamiento y

caminos pueden ser rápidamente cubiertos por nodos sensores para

controlar las actividades de las fuerzas enemigas. Conforme las

operaciones se desarrollan, se pueden desplegar nuevas redes de sensores

en cualquier momento para la vigilancia de los campos de batalla.

� Reconocimiento de terrenos y fuerzas enemigas: las WSNs pueden ser

desplegadas en terrenos críticos para que en pocos minutos, información

detallada y valiosa sobre las fuerzas y terrenos enemigos pueda ser

recogida antes de que pueda ser interceptada.

3.2 Aplicaciones medioambientales.

Las aplicaciones medioambientales incluyen la monitorización ambiental en

los contextos de tierra, mar y aire; la monitorización de las condiciones

ambientales que afectan a las cosechas y ganaderías, irrigación, macro

instrumentos para supervisión de la Tierra a gran escala y exploración planetaria,

detección química/biológica, agricultura de precisión, detección de fuego forestal,

investigación meteorológica o geofísica, detección de inundaciones, trazado de

mapas de ambiente y estudios de contaminación. A continuación, se describen

algunos ejemplos representativos.

� Control ambiental en edificios de oficinas: el aire acondicionado y la

calefacción de la mayoría de los edificios son controlados de forma

centralizada. Por lo tanto, la temperatura dentro de una habitación puede

variar unos grados de una esquina a otra; esto es debido a que el flujo de

aire del sistema centralizado no es uniformemente distribuido. Una WSN

distribuida puede ser instalada para controlar el flujo de aire y la

temperatura en diferentes partes de la habitación. Es conocido que dicha

tecnología distribuida puede reducir el consumo de energía de forma muy

sensible, con el consiguiente ahorro económico.

� Detección de fuego forestal: dado que los nodos sensores pueden ser

densamente desplegados al azar en un bosque, los nodos pueden informar

del origen exacto del fuego a los usuarios antes de que el fuego se extienda

de forma descontrolada. También, los nodos pueden ser equipados con

sistemas de alimentación sofisticados, como células solares, ya que los

sensores pueden permanecer desatendidos durante meses e incluso años.

Éstos colaborarán entre sí para trabajar de forma distribuida, evitando así

el efecto producido por los obstáculos, tales como árboles y rocas.


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3.3 Aplicaciones en la salud.

Algunas de las aplicaciones de las WSNs en el área de la salud engloban la

monitorización de datos humanos fisiológicos, interfaces para minusválidos,

monitorización integrada del paciente, diagnósticos, administración de medicinas

en hospitales, supervisión de movimientos y procesos internos en insectos u otros

pequeños animales y doctores que supervisan a pacientes de forma remota. Por su

importancia se describe la primera de ellas:

� Monitorización de datos humanos fisiológicos: los datos fisiológicos

recogidos por una WSN pueden ser usados para la exploración médica y ser

almacenados durante un largo período de tiempo. Las WSNs también

pueden monitorizar y detectar el comportamiento de personas de la

tercera edad, por ejemplo, una caída sufrida por un anciano.

Estos pequeños nodos permiten una mayor libertad de movimiento para los

pacientes y a los doctores les permite identificar síntomas predefinidos con

antelación, por lo que proporcionan una mayor calidad de vida al paciente en

comparación con los centros de tratamiento.

3.4 Aplicaciones industriales y comerciales.

Algunas de las aplicaciones industriales engloban la monitorización de la

resistencia de materiales, el pedido de inventario, la supervisión de calidad del

producto, la construcción de espacios inteligentes de oficina, control de robots y

guías en ambientes automáticos de fabricación, juguetes y museos interactivos,

control de procesos de fabricación y automatización, monitorización de zonas de

desastre, estructuras inteligentes con nodos integrados, diagnóstico de máquinas,

transporte, instrumentación de fábrica, control local de actuadores, detección y

monitorización de robos de coches, seguimiento de vehículos y su localización e

instrumentación de las cámaras de semiconductores, máquinas rotativas, túneles

de viento y cámaras anecoicas. A continuación, se describen algunos ejemplos

representativos.

� Control de inventario: cada artículo en un almacén puede tener un nodo

conectado. Los usuarios finales pueden averiguar la ubicación exacta del

artículo y encontrar el número de artículos de la misma categoría. Si los

usuarios finales quieren insertar nuevas existencias, todo lo que los

usuarios tienen que hacer es adjuntar los nodos necesarios a éstos.

� Detección de vehículos y su seguimiento: existen dos acercamientos para

detectar y seguir vehículos: una solución consiste en determinar la línea de

dirección de movimiento del vehículo en la zona de los racimos de sensores

y enviar luego esta información a la estación base, y como alternativa, los


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datos brutos pueden ser recogidos por los nodos y ser enviados a la

estación base para determinar la ubicación del vehículo.

� Museos interactivos: en el futuro, los niños serán capaces de actuar con

objetos en museos para aprender más sobre ellos. Estos objetos serán

capaces de responder al tacto y a comandos vocales. También será posible

participar en experimentos de tiempo real de causa/efecto que instruirán

sobre ciencia y medioambiente. Además, las WSNs pueden proporcionar

guía y localización dentro de un museo.

3.5 Temas abiertos de investigación.

Las aplicaciones implementadas proporcionan algunos atributos claves que

determinan el potencial de las WSNs. Aplicaciones en áreas tan diversas como las

citadas anteriormente tienen características y requerimientos específicos. Esta

situación junto con la tecnología desarrollada en la actualidad conduce a la

aparición de plataformas hardware y software específicas para cada aplicación.

Diversas plataformas hardware y tecnologías han sido desarrolladas durante los

últimos años; sin embargo, hace falta más trabajo experimental para hacer estas

aplicaciones más fiables y robustas en un entorno real.

Las WSNs tienen el potencial para mejorar y cambiar el modo en que la

gente interactúa con la tecnología y el mundo. La dirección de futuro en WSNs está

en la identificación del negocio y necesidades de la industria. La aplicación de la

tecnología sensora al área de la industria mejorará los procesos de negocio y abrirá

nuevos problemas en la comunidad investigadora. Las interacciones entre la

investigación y el desarrollo son indispensables para acortar el hueco existente

entre la tecnología y el desarrollo de soluciones de negocio.

4 Factores influyentes en el diseño de una Red de Sensores Inalámbrica.

El diseño de una WSN está bajo la influencia de muchos factores, como son

la tolerancia a fallos, la escalabilidad, los costes de producción, el entorno de

operación, la topología de red, las restricciones hardware, el medio de transmisión

y el consumo de energía. A continuación se hará un estudio de todos estos factores

que será de vital importancia para el diseño de protocolos o algoritmos para WSNs.

Además, estos factores se pueden usar para comparar diferentes esquemas de

diseño [22].

4.1 Tolerancia a fallos.

Algunos nodos sensores pueden fallar o bloquearse debido a la carencia de

energía, tener daños físicos o sufrir interferencias en sus comunicaciones. El fallo


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de nodos individuales no debería afectar a la tarea global de la WSN. La tolerancia

a fallos es la capacidad de mantener las funcionalidades de la red sin

interrupciones debido a fallos de nodos individuales. La fiabilidad �� o la

tolerancia a fallos de un nodo, puede ser modelada con la distribución Exponencial

para hallar la probabilidad de no sufrir un fallo dentro de un intervalo de tiempo

(0,��):

�� [X]

Donde �� y � son la tasa de fallo del nodo y el periodo de tiempo,

respectivamente.

Nótese que los protocolos y algoritmos se pueden diseñar con un nivel de

tolerancia a fallos distinto para cada aplicación específica. Si el entorno en el que

los nodos se encuentran desplegados no existe interferencia apreciable, entonces

los protocolos pueden ser menos estrictos. Por ejemplo, si los nodos son

desplegados en una vivienda para monitorizar la humedad y temperatura de la

misma, la exigencia de tolerancia a fallos es baja, ya que esta clase de redes no es

dañada fácilmente ni interferida por el ruido ambiental. Por otra parte, si los nodos

son desplegados en un campo de batalla para la vigilancia y la detección, entonces

la tolerancia a fallos tiene que ser alta porque los datos recogidos son críticos y los

nodos pueden ser destruidos por acciones hostiles. Como conclusión, se puede

decir que el nivel de tolerancia a fallos depende de la aplicación de la WSN y el

diseño debe tener esta característica siempre presente.

4.2 Escalabilidad.

El número de nodos desplegados en el fenómeno bajo estudio puede ser

del orden de cientos, miles e incluso, en aplicaciones muy concretas, millones. Los

nuevos esquemas deben ser capaces de trabajar con este número de nodos y

utilizar la alta densidad presente. La densidad puede ser calculada según [22]

como:

�� [XI]

Donde � es el número de nodos dispersos en la región � y � es el rango de

transmisión radio de un nodo. Básicamente, �� proporciona el número de nodos

dentro del radio de transmisión de cada nodo en la región �. En definitiva, la

densidad de nodos necesaria depende de la aplicación a la que los nodos son

destinados.


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4.3 Costes de producción.

Dado que las WSNs consisten en un número grande de nodos sensores, el

coste de un nodo es muy importante para justificar el coste total de la red. Si el

coste de la red es superior al despliegue de sensores tradicionales, entonces la

WSN no está justificada en cuanto a su coste. Por consiguiente, el coste de cada

nodo tiene que ser muy bajo.

El estado actual de la tecnología, permite a un equipo radio Bluetooth

tener un coste menor de diez euros. En comparación, el coste de un nodo sensor

debería ser inferior a un euro para que la WSN sea factible. El coste de un equipo

radio Bluetooth, que es conocido por ser un dispositivo de bajo coste, es diez veces

superior al precio objetivo de un nodo sensor. Sin embargo, un nodo sensor está

compuesto por elementos adicionales, tales como sensores integrados o unidades

de procesamiento de datos, lo cual se verá más adelante. Por consiguiente, el coste

de un nodo es una restricción importante dada la cantidad de funcionalidades

requeridas y el precio tan bajo necesario.

4.4 Restricciones hardware.

Un nodo sensor está compuesto por cuatro componentes básicos, tal y

como se muestra en la Figura 13: una unidad sensora, una unidad de

procesamiento, una unidad transceptora y una unidad de alimentación o energía.

Opcionalmente, también podría estar provisto de otros componentes adicionales

dependiendo de la aplicación en concreto, como un sistema posicionamiento, un

generador de energía o un movilizador.

Generador de energía

Sensor ADC Procesador

Memoria

Transceptor

Unidad de energía

Sistema de localización Movilizador

Unidad Sensora Unidad de procesamiento

Figura 13. Componentes de un nodo sensor.


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La unidad sensora, por lo general, está compuesta por dos subunidades: un

conjunto de sensores y un convertidor analógico digital (ADC). Las señales

analógicas producidas por los sensores, basadas en el fenómeno observado, son

convertidas en señales digitales por el convertidor ADC y, posteriormente,

analizadas en la unidad de procesamiento. La unidad de procesamiento, que

normalmente lleva asociada una pequeña unidad de almacenamiento, es la que

maneja los procedimientos que permiten al nodo colaborar con otros nodos para

realizar las tareas asignadas a la WSN. Por otro lado, la unidad transceptora es la

que conecta inalámbricamente el nodo a la red. Y por último, uno de los

componentes más importantes de un nodo es la unidad de alimentación, que es la

encargada de suministrar la energía necesaria para el correcto funcionamiento del

nodo sensor.

Existen también otras unidades cuya utilización depende de la aplicación en

concreto. La mayoría de las aplicaciones requieren del conocimiento de la

localización con cierta precisión, por lo que puede ser necesario que un nodo

contenga una unidad de localización. Este elemento puede llegar a ser

imprescindible si los nodos se despliegan aleatoriamente. Si bien a menudo se

equipan a los nodos con receptores GPS para cumplir esta función, esta solución

además de ser costosa y aumentar el tamaño de forma considerable, no funciona

correctamente en entornos de interior, por lo que se han propuesto otras

alternativas como las citadas en el Capítulo 2 de este proyecto.

Además, a veces puede ser también necesario un movilizador para

desplazar los nodos cuando se requiere llevar a cabo determinadas tareas.

Todas estas unidades tienen que encajar en un módulo de reducidas

dimensiones, que puede llegar a ser del orden de un centímetro cúbico. Además

del tamaño, existen otras restricciones para los nodos. Los nodos deben:

� Requerir poca energía.

� Funcionar en despliegues con alta densidad de nodos.

� Tener un coste de producción bajo y ser prescindibles.

� Ser autónomos y funcionar de forma desatendida.

� Ser adaptables al entorno.

Ya que los nodos son a menudo inaccesibles, la vida útil de una WSN

depende de la duración de los recursos energéticos de los nodos. Teniendo en

cuenta que el tamaño de éstos es limitado, el almacenamiento de energía se ve

directamente afectado y, por tanto, en aplicaciones que requieren un tiempo de


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vida mayor de la WSN es necesario buscar alternativas, tales como incluir

componentes que recojan energía del entorno para hacer al nodo autónomo. Esto

es posible por ejemplo, incluyendo células solares en el nodo sensor.

La unidad transceptora del nodo normalmente es un dispositivo de

radiofrecuencia (RF), frente a la tecnología óptica e infrarrojos que emplean otras

soluciones. Las comunicaciones de RF requieren de modulación, banda de paso,

filtrado, circuito de demodulación y multiplexión, lo que encarece a los nodos y los

hace más complejos. Además, la pérdida de propagación de la señal transmitida

entre dos nodos puede llegar a ser proporcional a la cuarta potencia de la distancia

entre ellos, si las antenas de los nodos están próximas al suelo. Sin embargo, la

comunicación de RF es preferida en la mayor parte de los proyectos de

investigación en WSNs actuales porque el tamaño de los paquetes presentes en las

comunicaciones es pequeño, las tasas de datos son bajas y la reutilización de

frecuencias es alta debido a las cortas distancias de comunicación. Estas

características posibilitan el uso en WSNs de bajos ciclos de trabajo3 de

radiofrecuencia. No obstante, el diseño con eficiencia energética y la consecución

de ciclos de trabajo RF bajos es todavía un reto. Asimismo, las tecnologías radio

comerciales como las usadas en Bluetooth no son lo suficientemente eficientes

para WSNs ya que únicamente durante el encendido y el apagado se consume

mucha energía.

Aunque los microprocesadores se fabriquen cada vez con menor tamaño,

tanto éstos como las unidades de memoria de los nodos son recursos limitados que

afortunadamente, están resolviendo los recientes avances en electrónica.

4.5 Topología de la red.

El número de nodos inaccesibles y desatendidos que son propensos a fallos,

así como la alta densidad de éstos que normalmente tiene lugar en los despliegues,

convierten el mantenimiento de la topología en una tarea difícil. A continuación, se

examinan las cuestiones relacionadas con el mantenimiento y cambio de la

topología en tres fases:

� Fase previa y de despliegue: los nodos pueden ser desplegados en masa o

bien colocarse uno por uno en el área objetivo. De este modo, pueden

lanzarse desde un avión, ser entregados en una cáscara de artillería, cohete

o misil, o simplemente ser ubicados uno a uno por una persona o un robot.

Aunque el número de sensores y su despliegue desatendido evite, por lo

general, colocarlos según un plan de despliegue cuidadoso, los esquemas

3 Un nodo sensor podría apagar su transceptor radio periódicamente para ahorrar energía y encenderlo

para participar en la tarea para la que la WSN está destinada.


49

para la ubicación inicial deben reducir el coste de instalación, eliminar la

necesidad de cualquier organización y planificación previa, aumentar la

flexibilidad de arreglo y promover la tolerancia a fallos y la organización

automática.

� Fase posterior al despliegue: después del despliegue, los cambios de

topología son debidos a cambios de posición en los nodos, accesibilidad

(debido a congestión, ruido, movimiento de obstáculos, etc.), energía

disponible, mal funcionamiento y otros detalles.

� Fase de despliegue de nodos adicionales: en cualquier momento pueden

utilizarse nuevos nodos para sustituir a otros que funcionan

incorrectamente o debido a cambios en la funcionalidad de la red. La

adición de nuevos nodos plantea la necesidad de reorganizar la red.

Enfrentarse a cambios frecuentes de topología en una WSN con gran

número de nodos y restricciones de consumo energético muy rigurosas,

requiere de protocolos de encaminamiento especiales.

4.6 Entorno.

Los nodos de una WSN son, en general, desplegados de forma densa muy

cerca o directamente sobre el fenómeno objetivo. Las WSNs pueden operar en

entornos tan diversos como en intersecciones muy transitadas, en el interior de

una maquinaria de grandes dimensiones, en el fondo de un océano, dentro de un

tornado, en un terreno biológicamente o químicamente contaminado, en un

campo de batalla, en un edificio o almacén de grandes dimensiones, conectado a

animales o a vehículos rápidos y en un desagüe o río.

Esta lista nos da una idea sobre bajo qué condiciones se espera que los

nodos trabajen. Así, éstos pueden trabajar bajo una alta presión en el fondo de un

océano, en entornos ásperos como en ruinas o en campos de batalla, bajo el calor

y frío extremos como en el inyector de un motor de avión o en regiones árticas, y

en un ambiente sumamente ruidoso bajo interferencias intencionadas. Por

consiguiente, se debe adaptar el diseño al entorno particular.

4.7 Medio de transmisión.

En una WSN, los nodos se comunican utilizando enlaces inalámbricos. Estos

enlaces pueden ser de radiofrecuencia (RF), infrarrojos u ópticos. Los transmisores

ópticos consumen menos energía que los de RF y proporcionan seguridad, pero

requieren de línea de visión directa entre transmisor y receptor y, además, son

sensibles a las condiciones atmosféricas. Los transmisores de infrarrojos, no

necesitan de antenas de grandes dimensiones, pero están limitados por su

capacidad de difusión. La tecnología RF es la más fácil de usar, pero requiere de


50


antena. En definitiva, las comunicaciones RF son las más comunes en aplicaciones

de WSNs y por ello el estudio se centrará en esta tecnología.

Para permitir la operación global de estas redes, el medio de transmisión

escogido debe estar disponible mundialmente. Una opción para enlaces radio es el

empleo de la banda Industrial, Científica y Médica (ISM), que ofrece comunicación

sin licencia en la mayoría de los países. En la Tabla 1 se especifican, para el caso

particular de España, las bandas de frecuencias recogidas en el artículo 5 del

Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) de la ITU [38], que pueden ponerse a

disposición de las aplicaciones ICM.

Banda de frecuencia Frecuencia central

6765-6795 kHz 6780 kHz

13553-13567 kHz 13560 kHz

26957-27283 kHz 27120 kHz

40.66-40.70 MHz 40.68 MHz

2400-2500 MHz 2450 MHz

5725-5875 MHz 5800 MHz

24-24.25 GHz 24.125 GHz

61-61.5 GHz 61.25 GHz

122-123 GHz 122.5 GHz

244-246 GHz 245 GHz Tabla 1. Bandas de frecuencia disponibles para aplicaciones ISM en España.

Algunas de estas bandas de frecuencias están siendo ya utilizadas en

sistemas de telefonía inalámbricos y en redes inalámbricas de área local (WLANs).

Para las WSNs se requieren transceptores de pequeñas dimensiones, bajo coste y

de muy baja potencia de transmisión. Las restricciones hardware y el compromiso

entre eficiencia de antena y consumo energético hicieron que el estándar IEEE

802.15.4 [25] emplease las bandas de 2,4 Ghz (global), 915 Mhz (EEUU) y 868 Mhz

(Europa) en las comunicaciones. Las ventajas principales de usar las bandas ISM

son la libertad de transmisión radio en esas bandas, la enorme asignación de

espectro y la disponibilidad global. Estas bandas no están destinadas a un estándar

en particular, lo que permite la implementación práctica de estrategias de bajo

consumo energético en WSNs. Sin embargo, existen varias reglas y restricciones,

como son las limitaciones de potencia emitida y la posibilidad de interferir con

aplicaciones existentes. Estas bandas de frecuencias también son conocidas en la

literatura como frecuencias sin licencia.

De forma adicional, los requerimientos para aplicaciones no usuales

complican la elección del medio de transmisión. Por ejemplo, las aplicaciones

marinas pueden requerir el empleo del medio de transmisión acuoso. Aquí, lo ideal

sería usar una portadora de longitud de onda larga para que pueda penetrar en la

superficie del agua. Por otro lado, en aplicaciones militares se podrían encontrar


51

canales propensos a errores o con grandes interferencias. Además, la antena de un

nodo no podría tener la altura y la potencia de emisión requeridas para estas

aplicaciones en otros dispositivos inalámbricos. De ahí que la elección del medio de

transmisión debe estar acompañada por una codificación robusta y esquemas de

modulación adecuados que modelen eficientemente estas características

particulares.

4.8 Energía consumida.

Un nodo sensor, siendo un dispositivo electrónico de pequeñas

dimensiones, sólo puede estar equipado con una fuente de alimentación limitada.

En algunas aplicaciones, la sustitución de baterías puede tornarse imposible, por lo

que el tiempo de vida útil de un nodo presenta una fuerte dependencia con la

duración de su batería. En una WSN, cada nodo tiene una función doble, por un

lado como fuente de los datos, y por otro, como encaminador de datos

procedentes de otros nodos. De ahí que el mal funcionamiento de unos pocos de

nodos, como se comentó anteriormente, pueda causar cambios significativos en la

topología e incluso requiera el cambio de rutas de los paquetes y la reorganización

de la red. Es por ello que la conservación y gestión de la energía toman gran

importancia, provocando que el diseño se enfoque en protocolos y algoritmos

energéticamente eficientes.

En otras redes, la potencia consumida ha sido un factor de diseño

importante, pero no fundamental, simplemente porque los recursos energéticos

pueden ser sustituidos por el usuario y, por lo tanto, el diseño se centra más en la

calidad de servicio (QoS) proporcionada que en la eficiencia energética. En WSNs

sin embargo, la eficacia energética es una característica fundamental que influye

directamente en el tiempo de vida de la red. Pueden diseñarse protocolos de bajo

consumo específicos, pero se debe tener siempre en cuenta otros factores como el

retardo en las comunicaciones y la tasa de transmisión.

La tarea principal de un nodo desplegado sobre el entorno bajo estudio es

detectar eventos, realizar localmente un procesado rápido de datos y luego

transmitirlos. Por tanto, el consumo de energía se puede dividir en tres dominios:

sensado, procesado de datos y comunicación.

La unidad de sensora y sus componentes fueron presentados en el

Apartado 4.4. La energía utilizada en el sensado varía según la naturaleza de la

aplicación. Así, las medidas esporádicas consumirán menos energía que una

monitorización continua. Además, niveles altos de ruido podrían causar una

degradación significativa y aumentar la complejidad del algoritmo de detección,

provocando un mayor gasto energético.


52


De los tres dominios, un nodo sensor gasta más energía en el proceso de

comunicación de datos. Esto implica tanto transmisión como recepción de datos.

Se puede demostrar que para comunicaciones de corto rango con baja potencia de

emisión (∼0 dbm), el gasto de energía en la transmisión y recepción es

prácticamente el mismo. Además, mezcladores, sintetizadores de frecuencia,

osciladores controlados por tensión (VCO), circuitos PLL (Phase Locked Loop) y

amplificadores de potencia, consumen potencia útil en el circuito del transceptor.

Es importante que en este cómputo no sólo consideremos la potencia consumida

en activo, sino también el consumo de energía de encendido del circuito

transceptor. El tiempo de encendido, que es del orden de 100 microsegundos, hace

que la potencia de encendido no sea insignificante. Este alto valor puede ser

atribuido al tiempo de enganche del PLL. Conforme el tamaño del paquete de

datos se reduce, el consumo de energía de encendido comienza a dominar sobre el

consumo en activo. Por consiguiente, es ineficaz encender y apagar el transceptor

en repetidas ocasiones debido a la cantidad de energía consumida cada vez que se

activa el transceptor. Por ello, dado que las WSNs utilizan paquetes de datos

cortos, sería ineficiente apagar el transceptor cada vez que se transmita un

paquete.

En cuanto a la energía requerida en el procesado de datos, hay que decir

que es mucho menor comparada con la necesaria en el proceso de comunicación.

De ahí, que sea crucial el procesado de datos local para reducir al mínimo el

consumo de energía en una WSN.

Algunas de las técnicas empleadas para minimizar el consumo de energía en

el procesado de datos incluyen reducir el voltaje de alimentación y disminuir la

frecuencia de trabajo del microprocesador durante periodos de baja actividad.

Reducir el voltaje de alimentación es un método muy eficaz para reducir el

consumo de energía en el estado activo. Por otro lado, cuando un microprocesador

maneja una carga computacional que varía con el tiempo, reducir la frecuencia de

trabajo durante los períodos de actividad reducida causa igualmente una

disminución del consumo de energía. A su vez, esto compromete el rendimiento

del procesador. Ahorros de energía significativos pueden provocar que el

rendimiento máximo no sea siempre el deseado y por lo tanto, el voltaje de

alimentación y la frecuencia de trabajo deben ser adaptadas a las exigencias de

procesamiento en cada momento.

Nótese que puede haber algún circuito adicional para la codificación y

decodificación de datos. Los circuitos integrados específicos de aplicación (ASICs)

también se pueden utilizar en algunos casos. En todos estos escenarios, el diseño

de algoritmos y protocolos para WSNs está bajo la influencia del consumo

energético, así como de aquellos factores que han sido expuestos con anterioridad.


53

5 Sistema.

Para que un nodo sensor funcione correctamente en una WSN, hay varias

cuestiones internas que deben ser abordadas a través de la plataforma hardware y

el sistema operativo (OS). A continuación, se introducen los estándares existentes,

el aspecto del almacenamiento y los bancos de pruebas.

5.1 Plataforma hardware y Sistema Operativo.

Las plataformas hardware actuales en WSNs han sido construidas para

soportar una amplia gama de sensores. Los productos comerciales que incluyen

sensores y los propios nodos sensores tienen diferentes componentes radio,

procesadores y unidades de almacenamiento. Por ello, integrar múltiples sensores

en una plataforma es una tarea difícil ya que el hardware del sensor es diferente y

el procesado de datos brutos puede ser un problema con recursos limitados en el

nodo.

La mayoría de los nodos actuales emplean microcontroladores RISC de bajo

coste con una memoria de programa y datos de capacidad reducida

(aproximadamente de 100 KB). Además, puede ser añadida una memoria flash

externa con tiempos de acceso grandes para proporcionar almacenamiento

secundario y aliviar así las restricciones de tamaño impuestas por el chip de

memoria. Los buses de entrada/salida y dispositivos integrados incluyen líneas

serie como el Transmisor Receptor Universal Asincrónico (UART), convertidores

analógicos digitales y temporizadores.

En el diseño del equipamiento de los nodos de elementos sensores se han

seguido dos aproximaciones diferentes. La más general y expandida ha sido la

propuesta por el fabricante Crossbow [37] y consiste en el desarrollo de placas

sensoras que pueden ser montadas (y posiblemente apiladas unas sobre otras) a

través de un bus de expansión sobre la placa principal que contiene la unidad de

procesamiento y el transceptor. Una placa sensora típica de Crossbow contiene

sensores de temperatura, luz, aceleración y presión barométrica. Existen diferentes

versiones de las mismas, incluyendo placas especiales que en lugar de contener

sensores, proveen conectores de entrada y salida para poder conectar otros

sensores comerciales. La otra aproximación consiste en incluir los elementos

sensores en la placa principal. De esta manera, aunque el diseño general se ve

afectado y se limitan las aplicaciones de los nodos, este tipo de diseño puede

reducir el coste de producción y ser más robusto ante entornos hostiles que

puedan provocar la separación entre placas pertenecientes a un mismo nodo.

Por otro lado, los nodos sensores disponibles emplean dos tipos de

transceptores. El más simple (y más barato) ofrece un protocolo MAC básico, opera


54


en banda libre (315/433/868/916 MHz) y utiliza una tasa de datos en el rango de

20-50 Kbps. Los modelos más nuevos soportan el estándar 802.15.4 y operan en la

banda de 2.4 GHz ofreciendo una tasa de datos de 250 Kbps. Estos últimos ofrecen

la posibilidad de usar una antena integrada que hace a los nodos más manejables.

El rango de transmisión varía con un máximo de aproximadamente 300 m

(exterior) para el primer tipo de transceptor y 125 m para los transceptores

basados en el estándar 802.15.4.

En cuanto a la alimentación de los nodos, éstos están equipados con

baterías y la mayoría utilizan un par de pilas del tipo AA. El tamaño de la batería,

por lo general, determina el tamaño del sensor, ya que el tamaño del hardware es

aproximadamente de unos pocos centímetros cúbicos. Una excepción es la

presentada por los nodos mica2dot fabricados por Crossbow [37] que emplean

baterías de botón, a pesar de que esto provoca que los nodos estén más limitados

energéticamente que los nodos de mayores dimensiones. En esta línea, los

estudios deben enfocar en el diseño de nodos con unidades de captación de

energía para que complementen a las baterías. Un ejemplo de ello podría ser el

empleo de células solares. El problema radica en que la efectividad de estas

soluciones presenta un alto grado de dependencia con el entorno monitorizado.

Por ejemplo, en entornos de interior o en despliegues subterráneos, el empleo de

células solares no es efectivo.

Finalmente, tanto las aplicaciones como el sistema operativo deben estar

diseñados para soportar la plataforma específica del nodo sensor. La investigación

en este área implica el diseño de plataformas que soporten la gestión automática,

optimización del tiempo de vida de la red y programación distribuida.

5.2 Estándares.

Los estándares para este tipo de redes han sido desarrollados con el

requisito clave de un diseño de bajo consumo energético. Los estándares definen

las funciones y protocolos necesarios para que los nodos sensores puedan

interactuar con una variedad de redes. Algunos de estos estándares son el IEEE

802.15.4, ZigBee, WirelessHART, ISA100.11, IETF 6low-PAN, IEEE 802.15.3 y

Wibree. A continuación se introducen estos estándares.

5.2.1 IEEE 802.15.4.

El IEEE 802.15.4 [25] es el estándar propuesto para la capa física y MAC en

redes de área personal inalámbrica de baja tasa (LR-WPANs). Este estándar se

centra en despliegues de bajo coste, complejidad y consumo energético. Además,

está diseñado para aplicaciones en WSNs que requieren de comunicaciones de

corto rango para maximizar la duración de las baterías.


55

La capa física soporta tres bandas de frecuencias: una en 2450 Mhz, con 16

canales; otra en 915 Mhz, con 10 canales; y una última en 868 Mhz, con tan sólo un

canal. Todas ellas emplean técnicas de espectro ensanchado, en concreto, la DSSS

(Direct Squence Spread Spectrum). Además, mientras que en la banda de 2450

Mhz se utiliza la modulación O-QPSK, en las otras dos se emplea la BPSK.

El estándar permite la formación de topologías de estrella y malla para la

comunicación entre los dispositivos de red. Los dispositivos en la topología de

estrella se comunican con un nodo coordinador central, mientras que en la

topología mallada se pueden formar redes ad hoc de configuración automática.

La capa MAC controla el acceso al canal radio usando el mecanismo CSMA-

CA. Esta capa es también responsable de validar y entregar tramas, hacer de

interfaz de red, sincronización de red, asociación de dispositivos y servicios

seguros. Las aplicaciones de WSNs que usan el estándar IEEE 802.15.4 engloban

áreas como la monitorización residencial, industrial y medioambiental, el control y

la automatización.

5.2.2 Zigbee.

ZigBee [26] define los protocolos de comunicación de las capas altas sobre

el estándar IEEE 802.15.4 para LR-WPANs. ZigBee es una tecnología de

comunicación inalámbrica simple, de bajo coste y bajo consumo energético,

empleada en aplicaciones empotradas.

Los dispositivos ZigBee pueden formar redes con topología en malla que

conectan desde cientos a unos miles de dispositivos. Además, éstos requieren muy

poca energía y pueden funcionar con pequeñas baterías durante muchos años. Hay

tres tipos de dispositivos ZigBee: el coordinador (Zigbee coordinator), el

encaminador (Zigbee Router) y el dispositivo final (Zigbee end device). El

coordinador es el que inicia la formación de red, almacena la información y puede

hacer de puente entre redes. El encaminador une grupos de dispositivos y

proporciona comunicación salto a salto (multi-hop) a través de los dispositivos. Los

dispositivos finales consisten en sensores, actuadores y controladores que recogen

datos y se comunican sólo con el encaminador o el coordinador. El estándar ZigBee

está disponible públicamente desde junio de 2005.

5.2.3 WirelessHART.

El estándar WirelessHART [27] proporciona un protocolo de comunicación

de red inalámbrico para aplicaciones de medida de procesos y de control. El

estándar está basado en el IEEE 802.15.4 para la operación a baja potencia en 2.4

GHz.


56


WirelessHART es compatible con todos los dispositivos existentes,

herramientas y sistemas; es fiable, seguro y eficiente energéticamente. Soporta

topologías malladas, salto de canal (channel hopping) y sincronización de

mensajes. La comunicación de red es segura con el cifrado, verificación,

autenticación y gestión. Las opciones de gestión de energía permiten a los

dispositivos inalámbricos ser más eficientes. WirelessHART está diseñado para

soportar topologías de red en malla, estrella y combinaciones de ellas. Una red

WirelessHART se compone de dispositivos finales inalámbricos, pasarelas, el

controlador de proceso, aplicaciones y el gerente de red. Los dispositivos

inalámbricos finales se conectan al equipamiento de planta o al proceso; los

dispositivos gateways permiten la comunicación entre los dispositivos finales

inalámbricos y las aplicaciones; el controlador de proceso sirve como controlador

de proceso continuo y el gestor de red configura la red y planifica la comunicación

entre los dispositivos. Además, maneja el tráfico y encaminamiento de red. El

gestor de red puede ser integrado en el gateway, en la aplicación o en el

controlador de proceso. El estándar WirelessHART fue liberado a la industria en

septiembre de 2007 y se planificó que estaría disponible en productos comerciales

a finales de 2008.

5.2.4 ISA100.11a.

El estándar ISA100.11a [28] está diseñado para aplicaciones de

monitorización y procesos de automatización de baja tasa de datos. Define las

especificaciones para las capas OSI de seguridad y gestión. El estándar se centra en

un consumo de energía bajo, escalabilidad, infraestructura, robustez e

interoperabilidad con otros dispositivos inalámbricos. Las redes ISA100.11a usan la

banda de 2.4 GHz y salto de canal (channel hopping) para aumentar la fiabilidad y

reducir al mínimo las interferencias. Soporta topología en malla y en estrella.

ISA100.11a también proporciona funcionalidad de seguridad simple, flexible y

escalable.

5.2.5 6LoWPAN.

IPv6-based Low Power Wireless Personal Area Networks [29] permite la

comunicación de paquetes IPv6 sobre una red basada en el estándar IEEE 802.15.4.

Los dispositivos de bajo consumo se pueden comunicar directamente con

dispositivos IP utilizando el protocolo IP. Usando 6LoWPAN, los dispositivos de bajo

coste tienen todas las ventajas de comunicación y gestión IP.

El estándar proporciona una capa de adaptación, nuevo formato de

paquete y gestión de direccionamiento. Como el tamaño de paquete IPv6 es

mucho más grande que el tamaño de la trama IEEE 802.15.4 es necesaria una capa

de adaptación. La capa de adaptación lleva a cabo la funcionalidad de compresión

de cabeceras. Con la compresión de cabeceras, se crean paquetes de menor


57

tamaño que encajan en una trama IEEE 802.15.4. El mecanismo de gestión de

direcciones se encarga de la formación de direcciones de dispositivo para la

comunicación. 6LoWPAN está diseñado para aplicaciones en las que los

dispositivos requieren conexión a Internet.

5.2.6 IEEE 802.15.3.

El estándar IEEE 802.15.3 [30] define la capa física (PHY) y la de control de

acceso al medio (MAC) para redes de área personal inalámbrica (WPAN) de alta

tasa de datos. Está diseñado para soportar flujos multimedia de vídeo y audio en

tiempo real. IEEE 802.15.3 opera en la banda de 2.4 GHz con tasas de datos que

oscilan entre los 11 Mbps y 55 Mbps. El estándar utiliza acceso múltiple por

división en el tiempo (TDMA) para asegurar la calidad de servicio. Soporta tanto la

transferencia de datos síncrona como asíncrona y controla el consumo de energía,

la adaptación de tasa de datos y la frecuencia. El estándar se utiliza en dispositivos

como altavoces inalámbricos, dispositivos portátiles de vídeo, teléfonos

inalámbricos, impresoras y televisiones.

5.2.7 Wibree.

Wibree [31] es una tecnología de comunicación inalámbrica diseñada para

dispositivos de bajo coste, bajo consumo energético y comunicación de corto

rango. Wibree permite la comunicación entre dispositivos alimentados con baterías

de pequeñas dimensiones y dispositivos Bluetooth. Los dispositivos alimentados

con pequeñas baterías incluyen relojes, teclados inalámbricos y sensores que se

conectan a dispositivos como ordenadores personales o teléfonos celulares.

Wibree funciona en la banda de 2.4 GHz con una tasa de datos de 1 Mbps. La

distancia de enlace entre dispositivos es de 5-10 m. Wibree está diseñado para

trabajar con Bluetooth. Bluetooth con Wibree hace a los dispositivos más

pequeños y más eficientes energéticamente, y aprovecha la existencia de la

comunicación Bluetooth y permite un consumo de energía muy bajo. Wibree fue

liberado públicamente en octubre de 2006.

5.3 Almacenamiento.

Los enfoques tradicionales en WSNs requieren que los datos sean

transferidos desde los nodos sensores a una estación centralizada debido a que el

almacenamiento es limitado en los nodos. Técnicas como la agregación y

compresión de datos reducen considerablemente la cantidad de datos

transferidos, reduciendo la energía requerida y el número de comunicaciones.

Estas técnicas son importantes para aplicaciones en tiempo real basadas en

detección de eventos, pero aun así puede que no sean suficientes. Las aplicaciones

basadas en operaciones petición-respuesta podrán decidir qué datos son


58


importantes reunir. La optimización del almacenamiento en los nodos se hace

importante en el caso de que se recojan gran cantidad de datos con el tiempo.

Por todo ello, dado que el espacio de almacenamiento es limitado y la

comunicación requiere de gran consumo energético, se necesita un modelo para

satisfacer estas restricciones.

5.4 Bancos de pruebas.

Un banco de pruebas en WSNs consiste en un despliegue de nodos sensores

en un entorno controlado. Se diseña para apoyar la investigación experimental en

un entorno real. Esto proporciona a los investigadores un modo de probar sus

protocolos, algoritmos, aspectos de red y aplicaciones. Los experimentos pueden

ser configurados fácilmente, ejecutados y monitorizados remotamente. Los

experimentos también se pueden repetir para poder analizar los resultados

obtenidos.

5.5 Soporte de diagnóstico y depuración de fallos.

Para garantizar el éxito de una WSN en un entorno real, es importante

tener un sistema diagnóstico y depuración de fallos que pueda medir y monitorizar

el rendimiento de los nodos en la red. Estudios sobre la manipulación de diversos

tipos de hardware y software de depuración ayudan a prolongar el tiempo de vida

de cada uno de los nodos sensores, que a su vez, ayudará a aumentar el tiempo de

vida de la WSN. Adicionalmente, los métodos de direccionamiento para mejorar el

rendimiento de las comunicaciones pueden hacer al sistema más eficiente.

5.6 Aspectos adicionales.

El diseño de una plataforma para un nodo debe tratar con retos en el

consumo energético, coste y restricciones de aplicación. Esto requiere la

optimización tanto del hardware como del software para hacer una WSN eficiente.

El hardware implica el uso de diminutos nodos de bajo coste, mientras que el

software abarca cuestiones como el tiempo de vida de la red, robustez,

organización automática, seguridad, tolerancia a fallos y middleware. Los

requerimientos de la aplicación varían en términos de cómputo, almacenamiento e

interfaz de usuario y, por consiguiente, no existe una única plataforma que pueda

ser empleada en todas las aplicaciones. Aun así, son muchos los esfuerzos que se

están realizando por conseguir una plataforma útil para gran variedad de

aplicaciones.

La capacidad de almacenamiento en nodos sensores es limitada. En lugar de

enviar grandes cantidades de datos brutos a la estación base, el espacio de

almacenamiento local de los nodos se usa como una base de datos distribuida a la


59

cual se pueden enviar peticiones para recuperar datos. A pesar de que se han

creado varias técnicas que facilitan la tarea de manejar y almacenar datos de

manera eficiente, las técnicas de almacenamiento de bajo consumo energético son

todavía un tema abierto de investigación.

Los estudios de rendimiento proporcionan información útil para desarrollar

herramientas y soluciones que mejoren el funcionamiento del sistema. Los factores

críticos que influyen en el rendimiento del sistema incluyen la escalabilidad,

comunicación, protocolos en diferentes capas, fallos y gestión de red. Los aspectos

de escalabilidad pueden degradar el funcionamiento de sistema. Los protocolos de

comunicación tratan todavía de alcanzar un rendimiento razonable cuando el

tamaño de la red es relativamente grande. La optimización y el análisis de

protocolos en diferentes capas pueden mejorar el funcionamiento del sistema y

determinar sus ventajas y limitaciones. Los nodos sensores pueden fallar en

cualquier momento debido al hardware, software o motivos de comunicación. Es

importante que haya servicios que manejen estos fallos antes y después de que

éstos ocurran. El desarrollo de herramientas de gestión de red permite la

monitorización del rendimiento del sistema y configuración de nodos.

6 Servicios de red.

Los servicios de aprovisionamiento, gestión y control, son utilizados para

coordinar y manejar nodos sensores. Éstos mejoran el funcionamiento global de la

red en términos de potencia, distribución de tareas y uso de recursos. Un correcto

aprovisionamiento asigna recursos como potencia y ancho de banda para

maximizar su uso. En el aprovisionamiento influyen servicios como la cobertura y la

localización. La cobertura en una WSN tiene que garantizar que la región

monitorizada quede cubierta con cierta fiabilidad y es importante porque afecta al

número de nodos que deben ser desplegados, la colocación de estos nodos, su

conectividad y su energía. La localización es el proceso por el cual un nodo trata de

determinar su propia posición después del despliegue. Por otro lado, la gestión y

servicios de control juegan un papel clave en WSNs ya que facilitan servicios

middleware como la sincronización, la compresión y agregación de datos, la

seguridad, la optimización entre capas, etc.

6.1 Sincronización.

La sincronización en WSNs influye directamente en el encaminamiento de

paquetes y en la conservación de energía. La carencia de exactitud en la

temporización puede influir considerablemente en el tiempo de vida de la red. Una

sincronización de tiempo global permitiría a los nodos cooperar y transmitir datos

de una manera ordenada. Además, se consiguen ahorros de energía cuando tienen


60


lugar menos colisiones de paquetes y nuevas transmisiones, y cuando es posible

cambiar el estado de los nodos a un estado de reposo mientras no hay actividad. Es

por ello por lo que los protocolos de sincronización existentes ayudan a sincronizar

los relojes locales de los nodos con el funcionamiento de la red.

6.2 Compresión y agregación de datos.

La compresión y la agregación de datos reducen el coste de comunicación e

incrementa la fiabilidad en la transferencia de datos. Estas características son

necesarias en aplicaciones que tienen gran cantidad de datos que enviar a través

de la red. Según la importancia de los datos, un método puede ser mejor que otro.

Las técnicas de compresión de datos implican la reducción, sin pérdida de

información, del tamaño de los datos antes de la transmisión, para que en la

estación base tenga lugar el proceso de descompresión. En cuanto a la agregación

de datos, éstos son recogidos de múltiples sensores y se combinan juntos para

transmitirlos a la estación base. Este método se emplea a menudo en redes con

agrupaciones de nodos definidas. En este caso, los datos agregados son más

importantes que las lecturas individuales. Cada una de estas técnicas trata

implícitamente con cuestiones de energía, robustez, adaptabilidad, exactitud y

eficiencia.

6.3 Seguridad.

Una WSN es vulnerable a amenazas y riesgos. Un intruso puede

comprometer un nodo sensor, cambiar la integridad de los datos, escuchar los

mensajes, inyectar mensajes falsos, y consumir recursos de red. A diferencia de las

redes cableadas, los nodos inalámbricos difunden sus mensajes al medio. De ahí

que el aspecto de la seguridad se deba tratar en WSNs. Hay una serie de

restricciones en la incorporación de seguridad en una WSN como son las

limitaciones en almacenamiento, comunicación, cómputo y capacidades de

procesamiento. Es por ello por lo que el diseño de protocolos de seguridad

requiere el entendimiento de estas limitaciones para lograr un funcionamiento

seguro de la red.

7 Protocolos de comunicación.

El desarrollo de una pila de protocolos fiable y eficiente en términos de

energía es importante para soportar múltiples aplicaciones en WSNs. Dependiendo

de la aplicación, una WSN puede consistir en decenas o cientos de nodos

desplegados, generalmente de forma aleatoria en el entorno bajo estudio como se

muestra en la Figura 14. Cada nodo tiene la capacidad de recoger datos del

entorno, así como de encaminarlos hasta la estación base (nodo sink), que a través


61

de otras infraestructuras hará posible la comunicación con el nodo gestor de tareas

encargado de recibir las órdenes del usuario final.

Figura 14. Arquitectura de comunicación de una WSN [22].

Cada nodo usa la pila de protocolos mostrada en la Figura 15 para

comunicarse con cualquier otro y con la estación base. Ésta debe ser

energéticamente eficiente en términos de comunicación y ser capaz de trabajar de

forma óptima a través de múltiples nodos.

La implementación de protocolos en las diferentes capas de la pila de

protocolos puede afectar significativamente al consumo de energía, al retraso

extremo a extremo y a la eficiencia del sistema. Es de vital importancia optimizar la

comunicación y minimizar la energía empleada. Como ya se ha citado

anteriormente, las restricciones y características únicas de las WSNs hacen que el

diseño de los protocolos empleados conlleve desafíos diferentes a los de otras

redes. Además, se hace necesario el diseño de protocolos que soporten la

interacción entre capas de protocolo para compartir datos útiles con todas las

Capa de Aplicación

Capa de Transporte

Capa de Red

Capa de Enlace

Capa Física

Figura 15. Pila de protocolos de un nodo de una WSN.


62


capas y así poder enfrentarse con garantías a los requerimientos que plantea el

diseño de este tipo de redes.

A continuación, se hace una introducción a las diferentes capas presentes

en la pila de comunicación de una WSN, destacando los aspectos más influyentes.

En [20] se realiza un estudio reciente y detallado de la gran variedad de protocolos

propuestos en las distintas capas.

7.1 Capa de transporte.

Esta capa garantiza un trasporte de datos fiable entre la fuente y el destino.

Este nivel es especialmente necesario cuando se planea que la WSN sea accesible a

través de Internet u otras redes externas. El protocolo TCP con su actual

mecanismo de ventana de transmisión no se adapta a las características extremas

que requiere el entorno de una red sensora.

Una opción sería disponer de conexiones TCP entre un usuario remoto y la

estación base de la red de sensores vía Internet, y emplear un protocolo especial

de capa de transporte para manejar las comunicaciones entre la estación base y los

nodos sensores. La comunicación entre la estación base y los nodos sensores

mediante protocolos similares a TCP o UDP es inviable debido a que cada nodo

sensor tiene una memoria limitada.

Así, los protocolos de la capa de transporte en WSNs deben soportar

múltiples aplicaciones, fiabilidad variable, recuperación de paquetes perdidos, y

mecanismos de control de congestión. El desarrollo de un protocolo de capa de

transporte debe ser genérico e independiente de la aplicación. Ello debería

proporcionar fiabilidad variable para los datos de diferentes aplicaciones, ya que

cada aplicación puede tolerar diferentes niveles de pérdida de paquetes. La

pérdida de paquetes puede ser debida a una mala comunicación radio, congestión

en la red, colisiones de paquetes, capacidad de memoria limitada y fallos del nodo.

Cualquier pérdida de paquetes puede resultar en un derroche de energía y

degradado de la calidad del servicio (QoS), por lo que la detección y recuperación

de paquetes perdidos se torna indispensable para mejorar el rendimiento y el

gasto energético.

Hay dos aproximaciones para la recuperación de paquetes: salto a salto y

extremo a extremo. La retransmisión salto a salto requiere que un nodo intermedio

guarde el paquete en su memoria. Este método es más eficiente energéticamente

ya que las distancias de retransmisión son más cortas. En la retransmisión extremo

a extremo, la fuente guarda toda la información del paquete y realiza la

retransmisión cuando hay una pérdida de paquete. La retransmisión extremo a


63

extremo permite una fiabilidad variable mientras que la retransmisión salto a salto

funciona mejor cuando las exigencias de fiabilidad son altas.

Un mecanismo de control de congestión monitoriza y detecta congestión

haciendo uso de la menor energía posible. Antes de que la congestión tenga lugar,

la fuente es notificada para reducir su tasa de envío de datos. El control de

congestión ayuda a reducir retransmisiones y a no sobrecargar el buffer de los

nodos. Al igual que en la recuperación de paquetes perdidos, existen dos

aproximaciones al control de congestión: salto a salto y extremo a extremo. El

mecanismo salto a salto requiere que cada nodo a lo largo del camino monitorice

los desbordamientos del buffer. Este mecanismo disminuye la congestión de forma

más rápida que el mecanismo extremo a extremo. Cuando la congestión es

detectada por un nodo, todos los nodos a lo largo del camino cambian su

comportamiento. Por el contrario, el mecanismo extremo a extremo confía en los

nodos finales para descubrir la congestión. La congestión es detectada cuando

expiran los temporizadores correspondientes o se reciben asentimientos

redundantes.

Dependiendo del tipo, fiabilidad y sensibilidad temporal de la aplicación,

será más conveniente una aproximación u otra para el control de congestión y

recuperación de paquetes perdidos. En definitiva, los protocolos existentes de la

capa de transporte en WSNs intentan cubrir las cuestiones de diseño mencionadas

anteriormente.

Aunque han sido propuestos muchos protocolos para la capa de transporte,

hay todavía varios problemas de investigación abiertos como son la interacción

entre capas, imparcialidad y control de congestión con gestión de colas activas. La

capa de transporte puede beneficiarse de las interacciones entre las diferentes

capas de la arquitectura de comunicación. Éstas pueden mejorar el funcionamiento

del protocolo de transporte seleccionando mejores rutas para la transmisión de

paquetes adquiriendo informes de la capa de enlace. Se ha realizado alguna

investigación en esta área; sin embargo, los métodos de interacción entre capas

necesitan ser explorados en mayor profundidad.

Los mecanismos de control de congestión actuales se basan en la

monitorización de canales y ajuste dinámico de la tasa de datos de la fuente

cuando aparece la congestión. No tiene lugar ninguna monitorización activa de las

colas para evitar la congestión. Incorporando gestión de colas activas en el control

de congestión se podría reducir la pérdida de paquetes y aumentar el rendimiento.

Adicionalmente, el protocolo de transporte debería garantizar igualdad entre

nodos sensores. Sin embargo, el problema de garantizar igualdad en redes de


64


topología cambiante no ha sido explorado profundamente. Una posible solución a

este problema es asignar prioridad a los paquetes.

7.2 Capa de red.

La capa de red maneja el encaminamiento de los datos a través de la red

desde la fuente al destino. Los protocolos de encaminamiento en WSNs se

diferencian de los protocolos de encaminamiento tradicionales en varios aspectos.

En primer lugar, los nodos sensores no tienen direcciones IP, debido a motivos tan

variados como las limitaciones existentes de memoria en los nodos, que impiden el

almacenamiento de tablas de encaminamiento; la topología de la red puede variar

debido a fallos en los nodos; y los nodos se despliegan generalmente de forma

aleatoria y en grandes cantidades. Por lo que no es válido un protocolo de

encaminamiento basado en IP en una WSN. Además, el diseño de protocolos de

red tiene que ser escalable. Así, éstos deberían manejar las comunicaciones entre

muchos nodos y propagar los datos a la estación base. El protocolo debería tener

limitaciones de recursos de red como energía, ancho de banda, memoria y

capacidades computacionales. Teniendo en cuenta estas restricciones, el tiempo

de vida de la WSN se puede prolongar. Finalmente, el protocolo debería tener en

cuenta cuestiones como eficiencia, tolerancia a fallos, imparcialidad y seguridad.

Un objetivo importante en WSNs es que el encaminamiento pueda estar

basado en los datos. De esta manera, se podría realizar una petición a la red para la

ejecución de tareas de sensado en los nodos sensores. Otra posibilidad sería que

los propios nodos propagasen sus medidas en difusión anunciando los datos

disponibles y esperasen una petición por parte de los nodos interesados. El

encaminamiento basado en los datos también se conoce como encaminamiento

basado en atributos ya que los usuarios están más interesados en un atributo del

fenómeno y no tanto en la medida de un nodo determinado.

Otra importante función del nivel de red es proporcionar interconexión con

redes externas o con otras redes de sensores, sistemas de control y de comandos,

e Internet. En un escenario, las estaciones base pueden ser utilizadas como una

puerta de enlace (gateway) hacia otras redes. Otro escenario consiste en crear un

backbone mediante la interconexión de las estaciones base y proporcionar a este

backbone acceso a otras redes mediante una puerta de enlace (gateway).

Muchos protocolos de encaminamiento han sido propuestos en WSNs. Las

características en las que se centran son la eficiencia energética y flujos de tráfico.

Estudios futuros de investigación deberían estar dirigidos a la seguridad, QoS y

movilidad del nodo. Además, se deberían analizar los estudios experimentales en

cuanto a la seguridad aplicada a protocolos de encaminamiento en WSNs. Por otro

lado, hay poca investigación en QoS en WSNs. QoS garantiza el retardo de extremo


65

a extremo y un encaminamiento energéticamente eficiente. En aplicaciones donde

los nodos son móviles, son necesarios nuevos protocolos de encaminamiento para

manejar cambios de topología frecuentes y llevar a cabo entregas de datos de

forma fiable.

7.3 Capa de enlace de datos.

La capa de enlace de datos se ocupa de la transferencia de datos entre dos

nodos que comparten el mismo enlace. Dado que la red es inalámbrica, para

conseguir una transferencia eficaz de datos, hay una necesidad de controlar el

acceso al medio y gestionarlo. El diseño del protocolo MAC debe tener en cuenta

los siguientes atributos: eficiencia energética, escalabilidad, sincronización de

trama, imparcialidad, utilización de ancho de banda, control de flujo y control de

errores.

Los mecanismos propuestos para permitir el acceso al medio están basados

en la asignación fija y el acceso al azar. Sin embargo, esquemas MAC basados en

demanda pueden resultar inapropiados en WSNs debido a la gran carga de

cabeceras que se introducen en los mensajes, así como al retardo de configuración

de los enlaces.

La detección y corrección de errores se ofrecen en la capa de enlace así

como en la capa de transporte. Una de las técnicas de detección de errores

ampliamente utilizadas es CRC (Cyclic Redundancy Check). En WSNs CRC funciona

de la siguiente manera. El transmisor y el receptor primero deben ponerse de

acuerdo sobre el tamaño del bloque de datos antes de la transmisión. El transmisor

divide un paquete procedente de la capa de red en bloques de datos del tamaño

acordado que serán reconstruidos nuevamente en el receptor. Para detección de

errores es usual usar un CRC de 8 bits. Así, se empaquetan en una trama los

bloques de datos con el CRC correspondiente y se envía al receptor, que al recibir

la trama, identifica si el bloque de datos contiene errores. Si hay bloques erróneos,

el receptor iniciará el proceso de recuperación para recuperar aquellos bloques

erróneos después de recibir un cierto número de tramas.

Las técnicas de recuperación en WSNs incluyen técnicas como ARQ

(Automatic Repeat Request), FEC (Forward Error Correction), HARQ (Hybrid ARQ),

SpaC (Simple Packet Combining) y MRD (Multi-radio Diversity). ARQ emplea

asentimientos y temporizadores para notificar al transmisor. La notificación puede

ser de la forma de un asentimiento positivo (ACK) o negativo (NACK). El transmisor

que reciba un NACK o la expiración de un temporizador retransmitirá la trama de

datos. Una restricción de la técnica ARQ es que está limitada a la detección de

errores de trama. Una trama entera tiene que ser transmitida de nuevo con que

haya un sólo bit erróneo.


66


Por otro lado, FEC disminuye el número de retransmisiones. El transmisor

añade mayor cantidad de datos redundantes en cada trama para que el receptor

pueda detectar y corregir errores. La ventaja de FEC es que se reducen las

retransmisiones y se evita el tiempo de espera de transmisión del asentimiento y la

nueva transmisión de trama.

HARQ es una variación del método ARQ. En HARQ se combinan los métodos

ARQ y FEC. Hay dos tipos de esquemas HARQ: tipo I y tipo II. El tipo I incluye tanto

bits de detección como de corrección de errores en cada paquete transmitido y

utiliza un código de corrección para subsanar errores. El tipo II transmite los bits de

detección de error o la información FEC junto con los datos. Si se detecta un error

en el primer paquete, se esperará al segundo paquete que contiene las paridades

FEC para corregir el error. Si los errores todavía persisten, los paquetes se

combinan para corregir los errores.

SPaC almacena el paquete con errores en el receptor y espera a la

retransmisión. En vez de retransmitir el paquete original, el transmisor envía los

bits de paridad. Al recibir el paquete, el receptor lo combina con el paquete

almacenado para recuperar los errores.

MRD usa dos técnicas para reponerse de los errores. La primera técnica es

la combinación de múltiples tramas erróneas para poder corregir errores evitando

las retransmisiones. La segunda técnica utiliza el esquema RFA (Request for

Acknowledgement) para recuperar el paquete.

En resumen, el diseño del protocolo MAC en una WSN está sujeto a varias

restricciones como la energía, topología y cambios en la red. La reducción al

mínimo de la energía para aumentar el tiempo de vida de la red es su objetivo

fundamental. El diseño del protocolo MAC debería prevenir el gasto de energía

debido a colisiones de paquetes, excesivas retransmisiones, control de cabeceras y

escucha ociosa. También debería adaptarse a la topología y cambios de red de

manera eficiente. Una gran variedad de protocolos MAC se han propuesto para

conseguir optimización en la utilización de canal, eficiencia energética y evitar

colisiones.

A pesar de ello, queda mucho trabajo por hacer en lo referente a la

optimización del funcionamiento del sistema. La interacción entre capas es un área

que necesita ser explorada más profundamente, ya que puede reducir las

cabeceras en cada una de las capas, así como minimizar el consumo de energía. Las

interacciones con la capa MAC pueden proveer a otras capas de información de

control de congestión y mejorar la selección de la ruta. Muchos de los protocolos

MAC existentes manejan estudios de rendimiento estáticos, pero hay todavía una

carencia en la literatura para comparar estos protocolos en una red móvil. En


67

definitiva, mejorando el protocolo MAC se puede mejorar considerablemente la

fiabilidad en la comunicación y el consumo de energía.

7.4 Capa física.

La capa física proporciona un interfaz para la transmisión de flujos binarios

sobre el medio físico. Es responsable de interactuar con la capa MAC, y

proporciona capacidades de transmisión, recepción y modulación. La interacción

entre la capa física y la capa MAC es un aspecto muy importante en el diseño

debido a que la tasa de error en la capa física es alta y variante en el tiempo en un

ambiente inalámbrico. Por ello, la capa MAC interactúa con la capa física para

detectar y corregir errores. Otras interacciones implican compartir información de

canal y transmisión con la capa MAC para conseguir mayor rendimiento y mejor

utilización de recursos.

Para una WSN, los problemas de reducir al mínimo el consumo de energía y

maximizar el tiempo de vida de la red comienzan en la capa física. En esta capa, la

energía se emplea en la operación del circuito radio y en la transmisión. Mientras

que la energía utilizada en la operación del circuito radio es fija, la utilizada en el

proceso de transmisión de datos puede variar según las pérdidas de paquetes,

interferencias y distancia de transmisión. Existe un compromiso entre potencia de

transmisión y la tasa de error producida. Una selección apropiada de la potencia de

transmisión reduce al mínimo la pérdida de energía y hace operar a la red de forma

más eficiente. Además, los esquemas de modulación son necesarios para transmitir

datos sobre un canal inalámbrico. Así, se han desarrollado distintos esquemas de

modulación para minimizar la probabilidad de error bajo diferentes condiciones.

Los esquemas de modulación energéticamente eficientes deberían reducir al

mínimo tanto la energía de operación del circuito radio como la de transmisión.

Recientes estudios de investigación incluyen como requerimientos de capa física

un diseño simple de chips radio de baja potencia y esquemas de transmisión y

modulación.

La capa física se debe diseñar considerando los requerimientos de una

WSN. Según las características de ésta, habrá restricciones en los chips radio en

términos de energía, tasas de datos, probabilidad de error, distancia de

transmisión y fiabilidad.

Otras restricciones que deben considerarse en la capa física son las

interferencias, la sincronización y la habilidad de transmitir en multi-cast. Si los

nodos se despliegan de forma densa, la interferencia entre ellos puede ser

inevitable. Cada nodo puede reducir su potencia de transmisión para reducir la

interferencia; sin embargo, se necesita de sincronización entre los nodos. Debe

haber sincronización entre la capa de enlace y la capa física, y entre los nodos. Con


68


sincronización, la interferencia en la comunicación se puede reducir al mínimo.

Finalmente, los chips radio con capacidad de multi-cast son útiles para transmitir

datos a múltiples nodos al mismo tiempo. Así, sólo los nodos necesarios recibirán

la información.

7.4.1 Elección del ancho de banda.

En WSNs, hay tres clases de tecnologías de capa física según el ancho de

banda: banda estrecha, espectro ensanchado y ultra-wideband. La tecnología de

banda estrecha usa un ancho de banda del orden de la tasa de símbolo. Esta

tecnología se centra en la eficiencia de ancho de banda, que es la medida de la tasa

de datos sobre el ancho de banda utilizado. Por otra parte, en la tecnología de

espectro ensanchado, la señal de banda estrecha es expandida. La función de

ensanchado utilizada para determinar el ancho de banda es independiente del

mensaje. Esta tecnología tiene la capacidad de reducir la potencia y permitir una

comunicación con eficacia, esto es, con robustez ante interferencias y

multitrayecto. Comparado con la tecnología de espectro ensanchado, ultra-

wideband utiliza mayor ancho de banda, del orden del Ghz. Ultra-wideband

expande su señal sobre un ancho de banda tal que la interferencia producida a

otros nodos es insignificante. Al igual que la tecnología de espectro ensanchado,

ultra-wideband permite comunicaciones utilizando baja potencia de transmisión.

Varios estudios muestran que las tecnologías de espectro ensanchado

cumplen los requerimientos de las WSNs mejor que las de banda estrecha. La

tecnología de banda estrecha se centra en optimizar la eficiencia en ancho de

banda y es menos robusta ante interferencias (excepto si se hace uso de la técnica

de frequency hopping), mientras que tanto la tecnología de espectro ensanchado

como la de ultra-wideband combinan ancho de banda con ahorro energético.

Según el tipo de tecnología de espectro ensanchado, la sincronización puede ser

beneficiosa debido a las propiedades de correlación de la secuencia pseudo-

aleatoria utilizada en el proceso de ensanchado. En cuanto a la capacidad multi-

cast, los sistemas de banda estrecha no están diseñados para llevar a cabo esta

tarea. En cambio, los sistemas de espectro ensanchado pueden realizar esta tarea

con una asignación correcta de códigos pseudo-aleatorios. Ultra-wideband tiene

muchas características atractivas, pero comparado con tecnologías de espectro

ensanchado, tiene sus propias restricciones y limitaciones. Una introducción a esta

tecnología se encuentra en [19].

7.4.2 Esquema de modulación.

El esquema de modulación usado por el transceptor radio puede repercutir

de forma sensible en el consumo de energía de un nodo. Esquemas de modulación

eficientes son necesarios para reducir el consumo de energía.


69

La modulación multinivel transmite símbolos de un conjunto de M formas

de onda diferentes, mientras que la modulación binaria usa únicamente dos

formas de onda distintas. En la modulación M-aria se transmiten log2M bits por

muestra. En general, la modulación multinivel requiere de circuitería más compleja

y mayor energía. Sin embargo, está demostrado que la modulación M-aria es más

eficiente energéticamente que la modulación binaria cuando el tiempo de

encendido del transceptor es corto y la potencia de transmisión RF es baja. En otra

comparación, para un valor grande de M, la modulación M-FSK (Frequency Shift

keying) es más eficiente que la M-PSK (Phase Shift keying) y M-QAM (Quandrature

Amplitude Modulation), cuando M es mayor que ocho. Para valores menores de M,

la modulación M-FSK no es tan eficiente porque se requiere de mayor potencia

para conseguir la misma tasa de error de bit que en la modulación M-PSK y M-

QAM. Sin embargo, para valores grandes de M, la relación señal a ruido requerida

(SNR) en la modulación M-FSK crece lentamente, haciéndola muy eficiente en

términos de energía.

En definitiva, la capa física en una WSN debe ser eficiente energéticamente.

Dado que el diseño de la capa física comienza en el diseño del transceptor radio, la

elección de éste compromete el rendimiento del resto de capas de protocolo. El

trabajo futuro se enfoca en nuevas innovaciones en el diseño de transceptores

radio de bajo consumo con tecnologías emergentes, explorando las técnicas de

ultra-wideband como alternativa para la comunicación, creación de esquemas de

modulación simples para reducir la sincronización y el coste de energía, determinar

la potencia de transmisión óptima y construir protocolos y algoritmos más

eficientes.

7.5 Interacción entre capas.

Un diseño de la arquitectura de comunicación que tenga en cuenta la

interacción entre capas en WSN es más eficaz y eficiente que el tradicional diseño

en capas. Mientras la aproximación tradicional conlleva mayor transferencia de

cabeceras, un diseño que tenga presente la interacción entre capas reduce al

mínimo estas cabeceras compartiendo datos entre las capas. En este diseño, la pila

de protocolos se trata como un sistema único y no como capas individuales e

independientes las unas de las otras. Así, las capas comparten información del

sistema. El desarrollo de varios protocolos y servicios en un diseño de este tipo es

optimizado y mejorado en conjunto.

Por ejemplo, el protocolo MAC podría compartir información acerca de la

topología con el protocolo de red para ayudar en el establecimiento de la ruta y el

mantenimiento. Tal información puede ser compartida directamente entre los dos

protocolos. La mayoría de los diseños propuestos hasta el momento están

centrados en la interacción entre capas contiguas. Por ello, los estudios futuros en


70


este área deben centrar su atención en la colaboración de todas las capas para

alcanzar un ahorro de energía más alto y un mayor rendimiento y tiempo de vida

de la red [20].

8 Estudio de mercado.

En este apartado se describe el estudio realizado al inicio de este PFC con el

fin de adquirir un kit de desarrollo para la implementación práctica de la aplicación

de localización usando una red de sensores inalámbrica.

En primer lugar, los criterios en los que nos hemos basado para hacer el

estudio de mercado son los siguientes:

� Necesidad de cuatro o más nodos (además del nodo base).

� Nodos sensores basados en estándares de comunicación. En particular,

compatibles con los estándares IEEE 802.15.4 y Zigbee. Aunque éste último

no es estrictamente necesario para nuestra aplicación.

� Soporte de software abierto que nos permita un tiempo de desarrollo

relativamente reducido para la puesta en marcha de aplicaciones,

facilitando la programación de los nodos.

� Nodos con sensores de aceleración para tomar medidas de movimiento en

el nodo a monitorizar.

� Nodos sensores cuyos microprocesadores faciliten la medida de potencia

con la que se reciben los mensajes transmitidos desde otros nodos.

� Soporte técnico por parte del fabricante.

� Kit de propósito general que permita el desarrollo de múltiples aplicaciones

de cara a su utilidad en el futuro.

� Precio.

En la fecha de estudio, las compañías líderes en la comercialización de

nodos sensores inalámbricos eran las siguientes:

� Crossbow.

� Moteiv (Sentilla).

� Dust Networks.


71

� Millennial Net.

� Sensicast.

� Jennic.

Jennic [32] es una compañía europea y entre sus productos destacan los

microcontroladores inalámbricos de bajo consumo energético, módulos,

plataformas de desarrollo, y software. Se descartaron sus kits de desarrollo debido

a que los nodos no incluyen placas con sensores de aceleración y además, el kit

más interesante para nuestros propósitos (JN5139 ZigBee Evaluation Kit) está

compuesto por tan solo cuatro nodos, por lo que no tendríamos flexibilidad para

probar algoritmos de localización que requieran de mayor número de nodos.

Sensicast [33] es una compañía norteamericana y su principal interés radica

en la fabricación de WSNs para aplicaciones específicas de monitorización

industrial, entre las que destacan la monitorización de temperatura y energía.

Dado que no proporciona kits de desarrollo de propósito general, está opción no

era la adecuada.

Millennial Net [34] es una compañía norteamericana que desarrolla

soluciones software y hardware para WSNs. El producto que más se ajusta a

nuestras necesidades es el único kit de desarrollo que ofrecen (Standard Reference

Kit), el cual no nos satisface principalmente porque hace uso de software

propietario.

Dust Networks [35] es una compañía norteamericana que desarrolla

soluciones software y hardware para WSNs. Entre los productos que más se

ajustan a nuestras necesidades están los kits de desarrollo “Evaluation kit” y

“SmartMesh-XT Research Development Kit” pero a pesar de contar con doce

nodos, de nuevo no nos satisfacen debido a que el software empleado es

propietario.

Moteiv (ahora Sentilla) [36] es una compañía norteamericana que

desarrolla soluciones software y hardware para WSNs. Si bien, durante el periodo

en que se realizó el estudio de mercado ofrecía productos interesantes, se optó por

no utilizar los kits de desarrollo que ofrecían debido a que la compañía se

encontraba en un profundo cambio y, por ello, no nos ofrecía suficientes garantías.

En la actualidad el producto que más se acerca a nuestras necesidades es su único

kit de desarrollo (“Perk kit”), el cual únicamente contiene tres nodos sensores.

Crossbow [37] es una compañía norteamericana pionera en tecnología

sensora. Hoy por hoy, Crossbow es la compañía líder proveedora de tecnología


72


WSN y sensores MEMS para la navegación y control. En el momento del estudio,

los productos que más se ajustaban a nuestras necesidades eran sus variados kits

de desarrollo.

Por todo lo anterior, la compañía que se ha elegido para la adquisición de la

red propuesta en este PFC es Crossbow. Entre los variados kits de desarrollo que

ofrecen, se encuentran los siguientes:

� “The Imote2 .Builder Kit”.

� “Starter Kit”.

� “Professional Kit”.

� “OEM Design Kit”.

� “Classroom Kit”.

Dado que necesitamos un mínimo de cuatro nodos, descartamos el “Starter

kit” con sólo dos nodos, y el “The Imote2. Builder Kit”, que a pesar de que sus

nodos constan de una alta capacidad de procesamiento, sólo incluye tres nodos.

Por otro lado, el kit “OEM Design Kit” contiene varios elementos adicionales como

módulos y tarjetas de adquisición de datos que no son de utilidad para nuestros

propósitos y por lo tanto su precio no está justificado. Por todo ello, los kits más

interesantes son el “Professional kit” y el “Classroom kit”. Entre éstos, finalmente

se optó por la compra del “Professional kit” básicamente porque éste cubría todas

las necesidades descritas al comienzo de este apartado, y además, el “Classroom

kit” consta de una cantidad excesiva de nodos ya que es un kit diseñado

específicamente para su utilización en laboratorios docentes de investigación. En el

Anexo A se describirán los componentes del kit propuesto en este PFC, el

“Professional kit”.

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