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Wireless sensor networks:fundamentos, estado del arte y desafíos

Máster en Ciencia y Tecnología Informática

Diseño de Sistemas Distribuidos

Curso 2010-2011

Soledad Escolar Díaz

[email protected]

� Soledad Escolar Díaz

� Profesor Ayudante

� Dpto. de Informática

� Arquitectura y Tecnología de Computadores (ARCOS)

� Despacho: 2.2.C.09

Mail: [email protected]

Datos de contacto

� Mail: [email protected]

� Web: http://www.arcos.inf.uc3m.es/~sescolar

Redes de sensores inalámbricas: fundamentos, estado del arte y desafíos 16/11/2010

� Parte I: Introducción

� Parte II: Plataformas de hardware

� Parte III: Sistemas operativos

Contenidos

� Parte IV: Estándares inalámbricos y arquitectura de redes

� Parte V: Operating System Abstraction Layer (OSAL)

� Parte VI: Líneas de investigación y desafíos

� Trabajos propuestos


Contenidos

� Parte I: Introducción

�Wireless Sensor Networks (WSN)

� Historia antigua/moderna

� Elementos de una WSN


� Características

�Aplicaciones

�Tipos de despliegues

� Funcionamiento típico de una WSN

Introducción

� Una red de sensores (el inglés, Wireless Sensor Network) es un sistema distribuido donde parte de sus nodos (nodos sensores) son capaces de interactuar con el entorno físico

� Interactuar: lectura/actuación sobre el medio

� Wireless Sensor and Actuator Networks (WSAN)

� Nodos sensores son dispositivos electrónicos, autónomos,


� Nodos sensores son dispositivos electrónicos, autónomos, distribuidos geográficamente alrededor de un fenómeno para monitorizarlo, con capacidades de:

� sensing,

� cómputo,

� almacenamiento y

� comunicación inalámbrica

Elementos de una WSN (I)

S

M

S

M

S

M

S

M

S

M

Nodo sensor: sensor (S) + mote (M)


S

M

M

G

S

M

M

A PC (estación base), LAN, Internet

Elementos de una WSN (II)

S

M

S

M

S

M

S

M

G

S

M

S

M

S

M

� Nodos sensores:� Placa de sensores (S):

� Variables medioambientales:� e.g. luz, temperatura, humedad,

presión, concentración de polen.

� Químicos:


M� Químicos:

� e.g. C02, oxígeno, ozono.

� Acústicos: � e.g. ruido, ultrasonido.

� etc.

� Mote (M):

� Radio

� µcontrolador

Elementos de una WSN (III)

S

M

S

M

S

M

S

M

S

M

� Gateway:

� Dos funciones:

� Pasarela de comunicaciones

entre la WSN y el exterior

� Reprogramador de nodos sensores

S

M

S

M

G


sensores

A PC (estación base), LAN, Internet

Elementos de una WSN (IV)

S

M

S

M

S

M

S

M

S

M

� Una estación base:�Dispositivo de mayor

capacidad (ej. PC, portátil) para el almacenamiento, análisis y procesamiento de los datos procedentes de los

S

M

S

MG


los datos procedentes de los nodos

Estación base

Historia “antigua”

� Proyecto Distributed Sensor Networks (DSN)

� Década de los años 80

� DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) de EEUU

� Sound Surveillance System (SOSUS)

� Red de boyas sumergidas instaladas en las costas de los EEUU


� Red de boyas sumergidas instaladas en las costas de los EEUU durante la Guerra Fría para la detección de submarinos

� Considerada la primera red de sensores

� http://en.wikipedia.org/wiki/SOSUS

Historia moderna

� La ley de Bell (1972):

“aparecerá una nueva tecnología cada diez años”

� Proyecto Smart Dust (1998):

cómo empaquetar en una mote de1mm3 un dispositivo sensorial autónomo (Dr. KristoferPister, Universidad de California, Berkeley)

log (people per computer)

year


Pister, Universidad de California, Berkeley)

� La primera mote: René (1999)

� El primer sistema operativo para nodos sensores: TinyOS (2002)

� Wireless Sensor Networks, la primera de las 10 tecnologías emergentes que cambiarán el mundo (MIT Journal, 2003)

Source: http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust/BlowDust.htm

Características

� Redes ad-hoc, sin infraestructura de red

� Redes formadas por miles, millones de pequeños dispositivos de bajo

coste

� Despliegue en terrenos inhóspitos, de difícil acceso: � e.g. volcanes, glaciares, océanos, bosques

� Nodos autónomos y cooperantes, pensados para operar de manera desatendida un largo período de tiempo


desatendida un largo período de tiempo

� Nodos muy restringidos en cómputo, comunicación, almacenamiento y energía

� Típicamente redes inalámbricas (aunque también cableadas)

� Características específicas de comunicación:

� bajo throughput de datos,

� bajo consumo,

� topologías dinámicas (nodos móviles)

Aplicaciones medioambientales

� Objetivo:

Monitorización

medioambiental� No intrusiva� No necesidad de

infraestructurasConocimiento


� Conocimiento preciso y actualizado

� Ej: Great Duck

Island� Mainwaring et al.,

2002; Szewczyk et al., 2004

Source: http://www.biologie.uni-hamburg.de

Source: http://envisense.org/glacsweb/

Automatización de edificios

� Objetivo: automatización de tareas para el confort y seguridad en el hogar

� Desde edificios inteligentes hasta u-cities� Ubiquitous cities


� Ubiquitous cities

� Ej. Songdo City (Korea)� New Songdo City finalizará en

2014� $25 billones� Smart-cards, RFID, WSNs, etc. � http://www.youtube.com/watch?v=

V2uzo-xzta0

Source: http://www.songdo.com/

„The most profound technologies are those that disappear. They weave themselves into the fabric of everyday life until they are indistinguishable from it.“, Mark Weiser.

Monitorización de infraestructuras

� Objetivo:

cuantificar el grado en que los materiales se desgastan así como sus defectos estructurales

� Ej. Sustainable bridges


� Ej. Sustainable bridges

� Proyecto europeo del 6PM� Emplean sensores cableados

para monitorizar puentes de ferrocarriles

� [Krüger and Grosse, 2004]

Source: http://www.sustainablebridges.net/

Aplicaciones sanitarias

� Objetivo:diagnóstico de pacientes, respuesta a desastres, rehabilitaciónhttp://www.youtube.com/watch?v=V_UCF3ZENv4&feature=related


� Ej. CodeBlue� Sensores que miden las

constantes vitales de los pacientes desde sus hogares� Frecuencia cardíaca� Saturación de oxígeno� Etc.Source:

http://fiji.eecs.harvard.edu/CodeBlue

Aplicaciones logísticas

� Objetivo:Monitorización de equipajes, contenedores, etc.� Localización exacta en cada

momento del tiempo� Monitorización de otras variables


� Monitorización de otras variables � RFID: otra tecnología adecuada

� Ej: Intelligent Container� Monitorización y planificación

completamente automatizada de transportes[Behrens et al., 2006]Source:

http://www.intelligentcontainer.com

� No confundir con topología

� Aleatorio

� e.g., instalados desde un avión

� Distribución aleatoria de los nodos sobre un área finita

� Regular

e.g., mantenimiento preventivo, monitorización

Tipos de despliegues

� e.g., mantenimiento preventivo, monitorización

� Distribución manual y localización fija

� No necesariamente estructura geométrica

� Nodos sensores móviles

� Los nodos pueden desplazarse debido a una fuerza externa (viento, agua)

� Pueden localizar áreas interesantes


Funcionamiento

wakeup

sleep

Tiempo


http://www.youtube.com/watch?v=jtRv2PCeOyM

Contenidos

� Parte II: Plataformas de hardware

� Nodos sensores, placas sensoras y gateways

� Arquitectura hardware del nodo sensor

� Componentes de hardware


Componentes de hardware

� Plataformas comerciales:

Nodos sensores


� Plataformas de investigación:

� http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_wireless_sensor_nodes

Eko (2010)

Clasificación de nodos sensores


� Placa de sensores� Conjunto de sensores y actuadores de distinto

distinto tipo integrados en una única placa� Conectada al nodo sensor a través

del conector de expansión

Gateway

Placas sensores y gateway

Foto: Sensor MTS400


� Gateway� Capacidad de comunicación inalámbrica

� Conexión a estación base por cable:� USB, RS-232, TCP/IP

� Doble función:� Programador de motes

� Descarga del código ejecutable en µc� Pasarela WSN y estación base

� Bidireccional Foto: Gateway Mib520

Arquitectura HW de un nodo sensor

� Microcontrolador

� Radio

� Memoria flash

� LEDs


� LEDs

� Conector de expansión

� Fuente de energía

Componentes de hardware (I)

� Microcontrolador:� Arquitectura Harvard

� Memoria RAM (datos)� Típicamente 4 KBytes

� Memoria ROM (programa)� Típicamente 128 Kbytes

� Baja frecuencia (7-32 Mhz)


� Baja frecuencia (7-32 Mhz)� Arquitectura típicamente RISC de 8-bits� Conversor analógico-digital (ADC)� Varios relojes

� Temporizadores � sincronización de tareas

� Ej.� Atmega 128 de Atmel (familia Mica)� msp430 Texas Instrument (familia Telos)

Componentes de hardware (II)

� Radio:� Alcance:

� 75 a 100 metros outdoor� Alcances mucho más pequeños en indoor

� Banda de frecuencias:� 2.4 Ghz (compatible con Zigbee)� 933 Mhz

� Modulación


� Modulación

� Consumo energético es importante:� Las radios más nuevas poseen distintos

estados con distintos consumos

� Ej. CC2420(Chipcon), CC1000 (Chipcon), Nrf2401 (Nordic semiconductor)http://inst.eecs.berkeley.edu/~cs150/Documents/CC2420.pdf

Componentes de hardware (III)

� Conector de expansión:� Con la placa de sensores� 51 pines de conexión


Foto: Conector de expansión mote-placa sensora

Componentes de hardware (IV)

� Memoria flash:

� Externa al microcontrolador� Almacenamiento no volátil

(flash EEPROM)� De distintos tipos

� NAND, codifica datos como 1


� NAND, codifica datos como 1� NOR, codifica datos como 0

� Tamaño típico de almacenamiento� 512 Kbytes� Dividida en páginas de 264 bytes (256 útil + 8 bytes

de CRC)

� Aplicaciones:� e.g. sistemas de ficheros, reprogramación, etc.

� e.g. At45DB de Atmel (familia Mica), Strataflashde Intel (familia Telos)

Componentes de hardware (V)

� Batería� Típicamente pilas

�2 pilas alcalinas 1.5 voltios� 2000-3000 mAh

� Desde cinco días hasta años

� Fuentes alternativas de energía Estado: experimental


�Estado: experimental�Células solares, dinamos, etc.

� LEDs:� Tres leds:

� rojo, verde y amarillo� Función:

� Depuración de la aplicación

Contenidos

� Parte III: Sistemas Operativos

� Arquitectura de software

� Características

Modelos de ejecución y programación


� Modelos de ejecución y programación

� Ejemplos de Sistemas Operativos. Comparativa

� Programación de aplicaciones

Arquitectura de software


� Los nodos sensores incluyen un microcontrolador capaz de ejecutar tareas que requieren el acceso a elementos

de hardware (sensores, memoria, radio, etc.)� Dispositivos no dedicados

� Necesidad de un sistema operativo de propósito general,

Sistemas Operativos

� Necesidad de un sistema operativo de propósito general, cuyos objetivos son:� Gestionar eficientemente los recursos de hardware

� Facilitar la programación de aplicaciones de alto nivel


� Generalmente diseñados específicamente teniendo en cuenta las restricciones de los nodos sensores

� Arquitectura monolítica� Aplicación y S.O. integrados en el mismo programa

Características

� Responsable de:� Gestión del microcontrolador (típicamente monotarea), tiempo

(temporizadores) y concurrencia� Ofrecer interfaces de acceso (APIs) a los elementos de hardware

(sensores, memoria, radio, etc.)� Ahorro de energía

� Programación de aplicaciones� Descargar el código ejecutable en el microcontrolador


� TinyOS :

� Primer S.O. desarrollado específicamente para nodos sensores� Jason Lester Hill y David Culler

� Berkeley University, 2002

� Quasi-estándar o estándar de facto

� Sistema operativo de código libre

� Desarrollo activo por parte de numerosos colaboradores

� Basado en eventos (modelo de ejecución)Basado en componentes (modelo de programación)

Sistemas Operativos

� Basado en componentes (modelo de programación)� Multiplataforma

� No soporta todas las plataformas de nodos sensores

� Pequeño footprint

� 250 bytes of ROM

� 16 bytes of RAM

� La primera versión fue escrita en C, y posteriormente fue reescrito íntegramente en nesC

� Actualmente versión 2.1.1

� Versión 1.x y 2.x no son compatibles

� http://www.tinyos.net


Importante! App. Monolíticas

TinyOS

� 2 niveles de planificación:

� Eventos y tareas


nesC

� nesC: networked embedded systems C

� meta-lenguaje basado en C

� Modelo de programación basado en componentes

� Características:

� Interfaces bidireccionales (use and provide)

� Componentes: separación entre implementación y composición


� Componentes: separación entre implementación y composición

� Implementación mediante module

� Composición estática mediante configuration

� Wiring es la relación de todos los componentes e interfaces implicados en una aplicación, indicando qué componentes usan y proporcionan cada interfaz

nesC: Blink application

Configuration Module


Interface

� Diseñado para sistemas empotrados, incluidos nodos sensores� Adam Dunkels, Swedish Instititute of Computer Science (SICS), 2003� http://www.sics.se/contiki/

� Características:� Open source

� Programación secuencial (C)� Modelo de ejecución basados en protothreads

Contiki

“Protothreads are extremely lightweight stackless threads designed for severely

� Threads muy ligeros que se ejecutan sobre un kernel basado en eventos

� Pueden ser vistos como: Manejadores de eventos bloqueantes

� Proporciona sintaxis secuencial y bloqueos condicionales

� Soporte multithreading como librería� Reprogramación modular

� Footprint:� 2 kilobytes de RAM y 40 kilobytes de ROM


“Protothreads are extremely lightweight stackless threads designed for severelymemory constrained systems, such as small embedded systems or wireless sensornetwork nodes”

Contiki: Blink application

PROCESS(main, “main”)AUTOSTART_PROCESSES(&main)PROCESS_THREAD(main, ev, data) {

static struct etimer t0;PROCESS_BEGIN();while (1){

etimer_set (&t0, 1*CLOCK_SECOND)PROCESS_WAIT_EVENT();if (ev== PROCESS_EVENT_TIMER) {

leds_toggle (LEDS_RED);

#define PROCESS_THREAD(name, ev, data)static PT_THREAD(

process_thread_##name(struct pt process_pt,

process_event_t ev, process_data_t data))

#define PROCESS_BEGIN() PT_BEGIN(process_pt)#define PROCESS_END() PT_END(process_pt)

blink.c process.h

leds_toggle (LEDS_RED);}

}PROCESS_END();

}


#define PT_INIT (pt) pt->lc = 0#define PT_BEGIN(pt)switch(pt->lc){\

case 0:#define PT_EXIT () pt->lc = 0: \

return 2;#define PT_WAIT_UNTIL(pt, c)

pt->lc = __LINE__; \case __LINE__: \if (!(c)) return 0;

#define PT_END(pt) } pt->lc = 0;

pt.h

� MultimodAl networked of In-situ Sensors (MANTIS)

� Universidad de Colorado (2003)� Sistema operativo escrito en C de código abierto basado en POSIX

� Facilidad de programación� Multi-threading

� Planificador basado en prioridades

Mantis

� Multiplataforma

� Mica2, MicaZ y Telos


� Footprint:

� 500 bytes RAM y 14 KB ROM

� Ventajas:

� Procesos largos no bloquean el sistema

� Modelo de programación más sencilloque modelo basado en eventos

� Inconvenientes:

� Sobrecarga debida a los intercambios de contexto

� Mayor consumo de memoria debido a la existencia de múltiples pilas

Foto: Arquitectura de MANTIS http://mantisos.org/index/tiki-index.php.html

Modelos de ejecución

1 2 3

Modelo basado en eventos

Modelo basado en threads

� Modelos de ejecución:� Basado en eventos:

� TinyOS :

eventos y tareas

� Basado en threads:2

1

3


� Mantis: prioridades

� LiteOS: multithread

� Híbrido:

� Contiki: protothreads

Un protothread es unmanejador de eventobloqueante

2 3

Pila dedicada por threadPila compartida

Modelos de programación

1: module MyApp { 2: uses interface { … interfaces …} 3: provides interface {StdControl,…}} 4: implementation{5: command StdControl.init(){ … }6: command StdControl.start(){ 7: // call command

// post task8: }9: command StdControl.stop(){ … }

Modelo 1: TinyOS 1.x (eventos)

1: module MyApp { 2: uses interface {Boot, …. } 3: provides interface { …interfaces…}4: }5: implementation{6: event Boot.booted(){7: // call command

// post task8: }9: event interfaceUsed.event(){ … }

Modelo 2: TinyOS 2.x (eventos)


9: command StdControl.stop(){ … }10: event interfaceUsed.event(){ … }11:}

9: event interfaceUsed.event(){ … }10:}

Modelo 4: Mantis (threads/prioridades)

1: void start (void) {2: // C code with MANTIS interface3: }4: // Threads5: void x(void{6: // C code & MANTIS interface7: }

1: PROCESS(PROCESS1, “PROCESS1”);2: PROCESS( PROCESS2, “PROCESS2”);3: AUTOSTART_PROCESS

(&PROCESS1,&PROCESS2);5: PROCESS_THREAD(PROCESS1,ev,data){6: PROCESS_BEGIN();7: // C code & Contiki Interface8: PROCESS_END();9: }10: PROCESS_THREAD(PROCESS2,ev,data){…}

Modelo 3: Contiki (protothreads)

Eventos vs. threads

Paradigm Event-based Thread-based

Semantic Run-to-completion Preemptive

Resources Shared stack One stack per thread

Control flow State machine Linear

� Comparativa modelo de ejecución/programación


Control flow State machine Linear

Programming flow Unstructured, ad-hoc code, split-phase functions

Sequential

Synchronization Asynchronous Blocking

Concurrency model Non explicit by event-handlers

Explicitly by threads

Contenidos� Parte IV: Estándares inalámbricos y arquitectura de redes

� Arquitectura de redes

�Capa física

�Capa de acceso al medio (MAC)

�Capa de red


�Capa de red

�Otros protocolos: seguridad, localización, aplicación, etc.

� Estándares inalámbricos

� IEEE 802.15.4

�ZigBee

� Comparativa estándares de comunicación inalámbricos

Arquitectura de red

� Organización en distintos niveles de

abstracción de los protocolos que intervienen en la comunicación: desde el nivel físico hasta el nivel de aplicación:� Símil a la torre de protocolos OSI y TCP/IP� Capas de la arquitectura:


� Física y MAC: incorporados/cableados en el propio chip de radio. Sujetos a estándar

� Red (encaminamiento, topología, seguridad, etc.): Conjunto de protocolos propietarios (ausencia de estándares)

� Aplicación

� Los desarrolladores tienden a diseñar e implementar los protocolos de nivel de red y superiores de manera ad-hoc

Capa física

� Resumen:� Parámetros técnicos

� Propagación de la señal

� Distorsión de la señal


Capa física

� Parámetros técnicos� Frecuencias típicamente usadas en WSN

�433-464 MHz: ISM band Europe�902-928 MHz: ISM band America�2.4-2.5 GHz: WLAN, ZigBee

�5,725-5,875 GHz: New WLAN ranges


�5,725-5,875 GHz: New WLAN ranges

� ISM = Industrial, scientific, medicine� license-free operation�Uso no exclusivo

� Modulación/Demodulación�ASK, PSK, FSK y combinaciones�No cubierto aquí

Capa física

� Propagación de la señal� Path loss: atenuación sufrida por una señal cuando llega al receptor después de

atravesar un cierto camino.

PL(db) = 10 log (Pt/Pr)

Pt y Pr, potencia transmitida y recibida respectivamente

� Friis equation:

Pr = Pt Gt Gr λ²La potencia recibida


Gt,Gr: ganancias del transmisor y receptor

λ: longitud de onda en metros

d: distancia entre nodos

� Modelo indoor:

d₀ : distancia de referencia (d>d₀)

Υ: relación entre la potencia recibida y la distancia

Xσ: variación de la potencia recibida

Pr = Pt Gt Gr λ²(4π)² d²

La potencia recibida

decrementa

proporcionalmente a la

distancia al cuadrado

(en el vacío)

PL(d) = PL(d₀) + 10Υlog(d/d₀) + XσModelo usado en otros

escenarios (indoor)

Fenómenos propagación onda� Distorsión de la señal:

� Atenuación: � Pérdida de la señal producida por la frecuencia de dicha señal y el

ángulo en que la señal incide en la superficie del objeto

� Mecanismos que afectan a la propagación de la señal:� Reflexión:

� Cuando la señal incide en objetos grandes una parte de la señal tiene un efecto rebote sobre el objeto, parte es transmitida y el resto es absorbida

� Difracción:


� Difracción:

� Tiene lugar cuando una onda encuentra un obstáculo o al atravesar una rendija

� Scattering:

� Cuando la señal incide en objetos pequeños la señal se propaga en muchas direcciones diferentes

� Fenómeno multipath:� Debido a la propagación de la señal, ésta puede llegar al receptor

varias veces por distintos caminos� RSSI (Received Signal StrengthIndicator): indicador medido por los

chips de radio para indicar una buena calidad de la recepción de la señal

Otras distorsiones de la señal

� Ruido:

� Diversos tipos de perturbación que tiende a enmascarar la señal cuando se presenta en la banda de frecuencias del espectro de la señal, es decir, dentro de su ancho de banda

� Debido al movimiento térmico de electrones (ruido térmico)

Interferencia:


� Interferencia:

� Cualquier proceso que altera, modifica o destruye una señal durante su trayecto en el medio en que se propaga

Consideraciones especiales para WSN

� Otras características técnicas de la radio� Alcance (máximo) de la radio

� Posibilidad de intercambiar a distintos estados (ON, OFF, Rx, Tx,

IDLE, etc.)

� Comunicación es mucho más costosa que la computación� Cada estado de la radio, un consumo

Recepción es más costosa en términos de energía que el envío!


� Recepción es más costosa en términos de energía que el envío!

� Maximizar el tiempo en el que el nodo está en estado Sleep

� Minimizar active listening

CC1000 CC1021 CC2420 TR1000 XE1205

Manufacturer Chipcon Chipcon Chipcon RFM Semtech

OperatingFrequency [MHz]

300 - 1000 402 - 470 / 804 -940

2400 916 433 / 868 / 915

Bit Rate [kbps] 76.8 153.6 250 115.2 1.2 - 152.3

Power SupplyVoltage [V]

2.1 - 3.6 (typ. 3.0) 2.3 - 3.6 (typ. 3.0) 2.1 - 3.6 (int. 1.8) 2.2 - 3.7 (typ. 3.0) 2.4 - 3.6

Source: http://www.snm.ethz.ch/Projects/RadioSystems

Capa MAC

� Objetivo (tradicional):� Compartición ecuánime del medio, baja latencia, baja sobrecarga, minimizar

tasa de errores, etc.

� Objetivo (WSN):� Controlar cuando enviar y cuando escuchar� Minimizar el consumo de energía

� Problemas específicos en redes inalámbricas:


� Imposible (o al menos, muy difícil) enviar y recibir al mismo tiempo� Detección de colisiones como en CSMA/CD no es posible

� Alta tasa de errores comparado con redes cableadas

� ¿Qué optimizar?

� Sobrecarga del protocolo � mensajes de protocolo (sincronización)

� Colisiones � retransmisiones� Overhearing: escuchar paquetes destinados a otros nodos� Idle listening: escuchar paquetes cuando nadie ha enviado

� A transmite un mensaje a B

� C escucha el canal

� C no puede escuchar a A (fuera de su alcance)

� C transmite a B

Los mensajes de A y C colisionan en B

Problema del terminal oculto

� Los mensajes de A y C colisionan en B

� Ambas transmisiones se pierden


Clasificación de los protocolos MAC� Basados en contención:

� ALOHA

� Slotted ALOHA

� CSMA (Carrier Sense Multiple Access)� CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance)

� CSMA/CD (CSMA with Collision Detection)

� Basados en planificación:

� TDMA (Time Division Multiple Access)

Estos son sólo algunos de

los protocolos MAC usados

en WSN …

pero hay muchos más


� TDMA (Time Division Multiple Access)

� LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

� TRAMA (Traffic-Adaptive Medium Access)

� Basados en duty-cycle (ciclo de actividad):

� S-MAC (Sensor-MAC)

� T-MAC (Timeout-MAC)

� B-MAC (Berkeley-MAC)

� Otros protocolos:� STEM

� WiseMAC

Multiple Access with Collision Avoidance

(MACA)

� Tannenbaum, 2003

� Idea: � Reducir colisiones por terminal oculto

� Basado en RTS-CTS:� Emisor B pregunta al receptor C si puede

recibir (RTS – request to send)

� Receptor C asiente y responde(CTS – clear to send)

A B C D

RTS

CTS


(CTS – clear to send)

� Nodos potenciales que interfieren (A y D) escuchan RTS o CTS y conocen la transmisión en curso y cuanto tiempo durará

� A y D almacenan dicha información (NAV – Network Allocation Vector)

� B envía datos y C asiente (ACK)

� RTS-CTS mitiga pero no elimina los poblemas del terminal oculto:� Colisiones con otros vecinos de nodos

interferiendo

Busy

med

ium

DATA

ACK

Busy

med

ium

Sensor Medium Access Control (S-MAC)

� Idea: � Periódico sleep+listen

� Reducir el tiempo de escucha (listen)

� Durante el período sleep la radio está apagada (o en estado de bajo consumo)

� Asegurar que el período de transmisión del sender comienza en el período de escucha o listen del nodo

� Objetivo:

Listen ListenSleep Sleep


� Objetivo:� Reducir el consumo de energía

� Mecanismo de contención:� RTS-CTS (Request to send-Clear to send) IEEE 802.11

� Necesidad de sincronización (para mantener esquema listen/sleep):� Paquete especial SYNC que incluye la dirección del emisor y el tiempo de su siguiente

período de sleep

� Receptores ajustan agendas después de recibir el paquete SYNC

Basados en escucha de preámbulo

� Problema:

� Los protocolos basados en sincronización (S-MAC) podrían tener una alta sobrecarga� Necesidad de enviar paquetes de sincronización periódicamente

� Idea:

� Sincronizar sólo cuando se envían datos

� Basado en un preámbulo largo:� Receptores muestrean el canal periódicamente (short listen)


� Si no hay actividad en el canal, receptores vuelven a dormir

� Emisores envían un preámbulo muy largo que supera el período de muestreo

� Si hay actividad, continúan en estado listen hasta que los datos son recibidos (continue

listening)

� El emisor es ahora el mayor consumidor de energía

A Preámbulodata

Continue listening

B

CShort listen,

long sleep period

Berkeley Medium Access Control (B-MAC)

� Polastre, 2004

� A menudo considerado el protocolo MAC por defecto para redes de sensores

� Protocolo simple basado en preámbulo

� Implementado usando CCA (Clear Channel Assessment): � Se utiliza para detectar si el canal está libre

La señal se compara con un threshold


� La señal se compara con un threshold

� Puede dar lugar a falsos resultados (ruido)

1: channel clear for sending0: channel busy

Perspectiva/estado de estandarización

� Capa de aplicación� Propietaria

� Capas de red� Actualmente están siendo

estandarizadas por ZigBee


estandarizadas por ZigBee

� Routing/localización/mantenimiento de topología,seguridad, etc.

� Interfaz de acceso (API)

� Capas física y MAC� Estándar IEEE 802.15.4

Estándares inalámbricos

En el IEEE existen unos 130 borradores de estándares inalámbricos

MUY POCOS TIENEN ÉXITO COMERCIAL!!!

802.11a/b/g

802.15.1


802.15.1

Norma 802.15.4

ZigBee es una alianza, sin ánimo de lucro, de 25 empresas, la mayoría de ellas fabricantes de semiconductores, con el objetivo de auspiciar el desarrollo e implantación de una tecnología inalámbrica de bajo coste.

Es el estándar aceptado en WSN

Estándares inalámbricos (II)

� Comparativa estándares inalámbricos

Standard Wi-Fi (802.11.g)

Wi-Fi (802.11.b)

Bluetooth 802.15.4(ZigBee)

Usage MainWLAN WLAN WPAN Monitoring

Memory 1 MB 1 MB 256 KB 4-32 KB

Lifetime 0.5-5 0.5-5 1-7 100-1000+


Lifetime (days)

0.5-5 0.5-5 1-7 100-1000+

Network size 32 32 7 255-65000

Speed 54 Mbps 11 Mbps 720 Kbps 20-250 kbps

Coverage (meters)

100 100 10 1-100

Features Speed, flexibility

Speed, flexibility

Cost, applicationprofiles

Low-power,low-cost,reliability

IEEE 802.15.4

� Objetivo:

� Estandariza la capa física (PHY) y la capa de acceso al medio (MAC)

Capa física: PHY data service and PHY management service

“to investigate a low data rate solution with multi-month to multi-year battery life and very low complexity”

� Capa física: PHY data service and PHY management service

� Capa MAC: MAC data service y MAC management service

� Primera versión fue aprobada en 2004


� Especifica el uso/modulación de canales de radio en tres bandas:� Tres ámbitos: mundial, América y Europa

� Espacio entre canales consecutivos es de 2 Mhz (915 Mhz) y 5 Mhz (2.4 Ghz)

IEEE 802.15.4 PHY

� La capa física se subdivide en dos:� PHY data service

� PHY management service

� Unidad de datos del protocolo: � PPDU (PHY protocol data unit)

� Responsable de:� Energy detection (ED): selección del canal a usar

� Link quality indication (LQI): representa la fuerza o calidad de la señal

� Clear Channel Assessment (CCA): para implementar CSMA/CA


� Envío y recepción de unidades de datos, denominadas MPDU (MAC protocol data Unit) a través de PHY

� MAC se subdivide en dos:� MAC data service

� MAC management service

� Responsable de:� Mecanismo CSMA/CA

� Seguridad (cifrado AES)

IEEE 802.15.4 MAC

Foto: Topologías de red definidas por Zigbee

: 1) Estrella 2) Mesh, 3) Arbol

� Seguridad (cifrado AES)� Calidad de servicio (QoS)� Fiabilidad de mensajes (ACK)

� Tipos de dispositivos:� FFD (Full Function Device) � capacidad para realizar todas las funciones� RFD (Reduced Function Device) � funcionalidad limitada

� Tipos de roles:� Coordinador PAN� Coordinador (coordinator)

� Dispositivo (device)


Foto: Topologías de red definidas por Zigbee

: 1) Estrella 2) Mesh, 3) Arbol

Foto: Estructura de tram

a

ZigBee Alliance

� Consorcio de empresas fabricantes de semiconductores (inicialmente Philips, Samsung, Mitsubishi, Invensys, Honeywell)

� Objetivo:

� Promocionar y garantizar el desarrollo e implantación de una tecnología inalámbrica de bajo coste

� Definir un conjunto de especificaciones globales para aplicaciones inalámbricasinalámbricas

� Estandarizar capas de red (por encima de MAC):� Algoritmos de enrutamiento

� Algoritmos de mantenimiento de topología

� Protocolos de seguridad

� Etc.

� Asume IEEE 802.15.4

� http://www.zigbee.org/


Enrutamiento

� Problema:

� Nodo receptor no está dentro del rango de la radio del emisor

� Aún estando en el mismo rango (un salto), energía es función de la distancia

� Objetivo:

� Establecer y mantener una ruta para dirigir los mensajes desde un nodo

emisor a un nodo receptoremisor a un nodo receptor

� Objetivo principal:

� Fiabilidad: entrega correcta de los datos

� Objetivos secundarios específicos de WSN:

� Eficiencia (mínimo consumo), escalabilidad, balance de carga, etc.

� Enrutamiento tiene dos partes:

� Descubrimiento/mantenimiento de la topología

� Envío de datos al nodo vecino usando la información previa


Modelos de comunicación

Unicast

Comunicación 1 a 1

Broadcast

Comunicación 1 a n, siendo n

número de nodos en el rango

de la radio


Multicast

Comunicación 1 a g, g<n,

siendo n número de nodos

en el rango de la radio

Anycast

Comunicación 1 a x, x es un

nodo cualquiera entre un

conjunto de nodos

candidatos a siguiente salto

Métricas de enrutamiento

� Existen muchos caminos posibles entre un emisor y un receptor

� Fiabilidad, consumo de energía, etc.

� Problema:

� ¿Qué ruta se debe seleccionar?

� Solución:

� Métricas de enrutamiento: criterio para establecer una ruta entre un emisor y receptorreceptor� Permiten seleccionar el siguiente salto (padre) en base a ese criterio

� Ejemplos:

� Camino mínimo: número mínimo de saltos entre emisor y receptor

� Calidad del enlace: enlace de mejor calidad menor que threshold entre emisor y receptor

� Número de transmisiones esperadas (ETX): entre el emisor y receptor teniendo en cuenta retransmisiones y ACKs


Topologías de red

Z

P

S

M

� Árbol Malla Aleatoria


X YZ

� Lineal

Clasificación de protocolos de enrutamiento

� Diseminación:

� Inundación (flooding)

� Gossiping

� Polite Gossiping

� Enrutamiento basado en árbol:

� MintRoute

Estos son sólo algunos de

los protocolos de

enrutamiento usados en

WSN …

pero hay muchos más

� MintRoute

� Enrutamiento geográfico:

� GPSR

� GFR

� GEAR


Flooding

� Modelo de comunicación broadcast

� Distribuir los mensajes a todos los nodos de la red

� Nodos ignoran los mensajes para los que no son destinatarios

� Problema:� Alta sobrecarga

� Ventaja:� Simplicidad 2� Simplicidad

� Ejemplo:

� Emisor (1), receptor (5)


1

3

2

4

5

Gossiping y Polite Gossiping

� Dos variantes de inundación parcial:� Gossiping:

� Idea:

� Envío a broadcast con probabilidad p

� Polite gossiping:

� Idea:� Idea:

� Envío retardado del mensaje un intervalo de tiempo aleatorio t

� Sólo se envía un mensaje si no se ha escuchado más de x veces durante el intervalo t


Enrutamiento geográfico

� Modelo de comunicación unicast, multicast

� Idea:

� Los mensajes se marcan con las coordenadas geográficas del nodo destino

� Los nodos reenvían los mensajes en dirección al destino

� Premisas:

� Los nodos conocen exactamente su posición geográfica (ej. GPS)

� Los nodos envían a sus vecinos periódicamente sus coordenadas geográficas � Los nodos envían a sus vecinos periódicamente sus coordenadas geográficas (broadcast)

� Ejemplo:

� Emisor (S), receptor (D)


S

2

1

3

D

S (Xs, Ys)

D (Xd, Yd)

Distancia(S,1) = (X1-Xs)² + (Y1-Ys) ²

Distancia(S, 2) = (X2-Xs) ² + (Y2-Ys) ²

Min(Distancia(S,1),Distancia(S,2))

(X1, Y1)

(X2, Y2)

Basado en árbol

� Modelo de comunicación anycast

� Premisas:

� La estación base es la raíz del árbol

� Flooding para crear el árbol

� Cada nodo selecciona un único padre entre n� � métrica de enrutamiento (ej. ETX)

� Cada nodo potencialmente conoce a sus nodos hijos

BS

� Cada nodo potencialmente conoce a sus nodos hijos


31

744

2

65

1148 109 12

Ej: Cada enlace tiene un ETX con el

nodo padre

Decision(8) = ¿ETX(8,4) >

ETX(8,9)?

1.5

1.4

Contenidos

� Parte V: Arquitectura del nodo sensor

� Arquitectura actual y propuesta

� Operating System Abstraction Layer (OSAL)

� Capa de aplicación


� Capa de aplicación

Arquitectura actual y propuesta

SO –WNS 1 SO –WSN 2 SO –WSN n

App 1 App 1’ App 1’’

SO – WNS 1 SO –WSN 2 SO – WSN n

Aplicación

OSAL


Mote –1

Sensorboard 1

Mote –2

Mote –

3

Mote –m

Sensorboard 2 Sensorboard l

Mote –1

Sensorboard1

Mote –2

Mote

– 3

Mote –m

Sensorboard2

Sensorboard3

Arquitectura actual Arquitectura propuesta

Arquitectura propuesta

� Arquitectura centrada en nodo sensor (node-centric)� Definir el comportamiento de los nodos individuales

� Formalización matemática usando teoría de conjuntosOrganizar los componentes fundamentales y sus relacionesFacilitar la definición de arquitecturas portables

� Multiplataforma

Diseño multicapa


� Diseño multicapa

� Reusabilidad� Hardware

� Sistema Operativo

� Abstracciones de programación de aplicaciones portables:� Operating System Abstraction Layer (OSAL)

� Capa de Aplicación

� Generación de código en tiempo de compilación

Operating System Abstraction Layer

Aplicación (APP)

API de SN-OSAL

Sensor Node Open Services Abstraction Layer (SN-OSAL)

SN-OSAL Translation Engine

pre-compilador de SN-OSAL (osalc)

Scripts de traducción (mappers)

� Componentes:API

OSAL Translation Engine

�Pre-compilador

�Scripts de traducción

� Sistemas operativos:TinyOS 1.x


osal2tinyos1xosal2tinyos1x osal2tinyos2xosal2tinyos2x osal2contikiosal2contiki


Sistema Operativo (O)

TinyOS 1.xTinyOS 1.x TinyOS 2.xTinyOS 2.x ContikiContiki

Familia MicaFamilia Mica

Hardware (H)

Familia TelosFamilia TelosESBESBSKYSKY

TinyOS 1.x

TinyOS 2.x

Contiki 2.2

� Motivación:Heterogéneos

Muy extendidos

Relevantes

Capa de aplicación

API de SN-OSAL

Sensor Node Open Services Abstraction Layer (SN-OSAL)

SN-OSAL Translation Engine

pre-compilador de SN-OSAL (osalc)

DSLSensor Node

DSL

Capa de Aplicación (APP)

APISN-OSALAPI

Bibliotecas

OsalfileOsalfile

APPi (*.c)APPi (*.c)

Input

Transformation Process (TP)pre-compilador de SN-OSAL (osalc)

osal2tinyos1xosal2tinyos1x osal2tinyos2xosal2tinyos2x osal2contikiosal2contiki


Sistema Operativo (O)

TinyOS 1.xTinyOS 1.x TinyOS 2.xTinyOS 2.x ContikiContiki

Familia MicaFamilia Mica

Hardware (H)

Familia TelosFamilia Telos ESBESBSKYSKY

Appi.exeAppi.exe

Output

MakefileMakefile

Oj-specific APPiOj-specific APPi

n Process (TP)

Contenidos

� Parte VI: Líneas futuras de investigación, tendencias y desafíos

� Líneas futuras de investigación

�Tendencias


� Desafíos

� Energía

� Herramientas de desarrollo, APIs de programación

� Simulación

� Integración con otras tecnologías de red

� Complejidad inherente al hardware:� Recursos limitados de HW y energía

� Búsqueda de fuentes alternativas de energía

� Heterogeneidad de los dispositivos

� Número creciente de plataformas

� Desarrollo de aplicaciones:Ad-hoc, bottom-up, fuertemente acopladas

Desafíos (I)

� Ad-hoc, bottom-up, fuertemente acopladas

� Programación cercana al sistema operativo� No existen lenguajes de programación por encima de los sistemas operativos

� Portabilidad de aplicaciones reducida

� Simulación de aplicaciones

� Ausencia de estándares y arquitecturas abiertas:

� Protocolos de nivel de red y aplicación

� API estándar de programación/ Metodología de desarrollo/ Arquitectura de software


� Integración de las WSN con otras tecnologías de red� Internet (6lowpan)

� Middleware de comunicaciones

� Escalabilidad, heterogeneidad, etc.

� Seguridad

Desafíos (II)

� Simulación de aplicaciones de redes de sensores� Depuración de aplicaciones en un entorno PC


Roadmap de tecnologías básicas


Tendencias

� Mercado de RFID y WSN hasta 2010

16/11/2010

NOTA: USN: Ubiquitous Sensor Networks


Líneas futuras de investigación

� Líneas futuras de investigación y estimación en el tiempo


Lista de trabajos

� Sistemas operativos:� Ahorro de energía en los sistemas operativos Contiki y TinyOS

� Reprogramación de nodos:� Reprogramación modular y dinámica de nodos sensores

� Integración de redes:� Integración de una WSN con Internet (6lowpan)

� Desarrollos en TinyOS y Contiki� Desarrollos en TinyOS y Contiki

� Redes y comunicación� Análisis del consumo de energía del protocolo MAC 802.15.4 � Diseño e implementación de un protocolo de enrutamiento de paquetes

basado en árboles B

� OSAL:� osal2mantis: portar OSAL al sistema operativo mantis� Introducir primitivas de ahorro de energía en OSAL


Bibliografía (I)[1] Sensors everywhere. Fundación Vodafone. (online:

http://vodafone.es/fundacion/fundacion.vodafone.es/VSharedClient/FundacionVodafone/PDF/LibroSensors.pdf)

[2] Introducción a las redes de sensores (online:

http://www.arcos.inf.uc3m.es/~sescolar/index_files/presentacion/wsn.pdf)

[3] System architecture for wireless sensor networks by Jason Lester Hill

[4] The nesC language: A holistic approach to networked embedded systems by David

Gay, Philip Levis, Robert von Behren, Matt Welsh, Eric Brewer, David Culler.


Gay, Philip Levis, Robert von Behren, Matt Welsh, Eric Brewer, David Culler.

[5] TinyOS programming by Phillip Levis (online: http://www.tinyos.net/tinyos-2.x/doc/pdf/tinyos-programming.pdf)

[6] Contiki - a Lightweight and Flexible Operating System for Tiny Networked Sensors

by Adam Dunkels , Björn Grönvall , Thiemo Voigt

[7] Mantis os: An embedded multithreaded operating system for wireless micro sensor

platforms by Shah Bhatti , James Carlson , Hui Dai , Jing Deng , Jeff Rose , Anmol Sheth , Brian Shucker , Charles Gruenwald , Adam Torgerson , Richard Han

[8] Protothreads: Simplifying event-driven programming of memory-constrained

embedded systems. Adam Dunkels, Oliver Schmidt, Thiemo Voigt, and Muneeb Ali.

Bibliografía (II)[9] Next century challenges: Scalable coordination in sensor networks (1999) by Deborah

Estrin , Ramesh Govindan , John Heidemann

[10] An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks by Wei Ye, John Heidemann and Deborah Estrin

[11] Versatile low power media access for wireless sensor networks by Joseph Polastre, JasonHill and David Culler

[12] Low Power Listening. (online: http://www.tinyos.net/tinyos-2.x/doc/html/tep105.html)

[13] IEEE 802.15.4 (online: http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html)

[14] Zigbee Alliance (online: www.zigbee.org)


[14] Zigbee Alliance (online: www.zigbee.org)

[15] An application-specific protocol architecture for wireless networks by Wendi Beth Heinzelman.

[16] Operating System Abstraction Layer (online: http://opensource.gsfc.nasa.gov/projects/osal/index.php)

[17] An operating system abstraction layer for portable applications in wireless sensor networks by Ramon Serna Oliver, Ivan Shcherbakov, Gerhard Fohler

[18] Wireless sensor networks: a survey by I. F. Akyildiz , W. Su , Y. Sankarasubramaniam , E. Cayirci

[19] Directed Diffusion: A scalable and robust communication paradigm for sensor networks by Chalermek Intanagonwiwat , Ramesh Govindan , Deborah Estrin

Wireless sensor networks:fundamentos, estado del arte y desafíos

Máster en Ciencia y Tecnología Informática

Diseño de Sistemas Distribuidos

Curso 2010-2011

Soledad Escolar Díaz

[email protected]

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