Protocolo de encaminamiento adaptativo para la optimización de comunicaciones de captura de datos y diseminación dirigida en redes de sensores inalámbricos
Fecha
2011-06
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Editor
Universidad Rey Juan Carlos
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Resumen
Los avances recientes en comunicaciones inalámbricas y microelectrónica han
motivado la aparición de dispositivos sensores inalámbricos de bajo coste y pequeño tamaño capaces de efectuar de forma autónoma tareas de monitorización
del entorno, procesado de paquetes y comunicación con otros nodos a través de
su interfaz radio. Estos dispositivos, cuyo despliegue lleva asociado un coste mucho
menor que el de los sistemas cableados, se integran en el entorno a medir y
son capaces de recolectar, procesar, agregar y transmitir información de variables
recogidas tales como temperatura, humedad, aceleración, etc., así como de otros
eventos detectados como actividad sísmica o detección de presencia o movimiento.
Las Redes de Sensores Inalámbricos (WSN, Wireless Sensor Network) gozan de
gran auge hoy en día ya que pueden utilizarse en multitud de aplicaciones que
incluyen la monitorización ambiental, la agricultura de precisión, la gestión automatizada
del hogar, la eficiencia energética de edificios, la detección de intrusos, la
gestión de desastres y emergencias o la monitorización de señales corporales, entre
muchas otras.
Una WSN puede estar formada por un gran número de sensores, los cuales tienen
importantes restricciones en cuanto a la capacidad de procesado, de memoria,
de potencia de transmisión y, sobre todo, energética. En este sentido, el proceso
de comunicación del sensor inalámbrico con otros nodos debe ser capaz de minimizar
el consumo energético del dispositivo con objeto de mantenerlo el máximo
tiempo posible activo dentro de la red, en la cual los procesos de mantenimiento
a menudo se limitan a desplegar nuevos nodos que sustituyan a los que ya han
agotado totalmente su energía.
En esta Tesis se propone un nuevo protocolo de encaminamiento jerárquico para
WSN denominado HARP (Hierarchical Adaptative Routing Protocol ), cuyo diseño
está principalmente enfocado al ahorro energético de los nodos y a la maximización
del tiempo de vida útil de la red. La propuesta realizada de HARP para este
tipo de redes se basa en la división de la red en clusters en los cuales el rol
correspondiente al Cluster-Head es rotatorio con objeto de distribuir el consumo
de la red de manera uniforme. HARP es capaz de construir estructuras jerárquicas que minimizan el consumo energético y favorecen la escalabilidad de la red. Debido
al diseño de sus tablas de encaminamiento y al proceso de operación implementado,
HARP, a diferencia de la mayoría de protocolos actuales, permite a los nodos
cursar cualquier tipo de tráfico introducido en la red, tanto del que parte del nodo
sumidero con destino los nodos sensores (diseminación de datos) como el generado
por las comunicaciones de captura de datos por parte de los nodos sensores con
destino el nodo sumidero, así como el establecimiento de comunicaciones entre
cualquier par de nodos de la red. Además, el protocolo propuesto proporciona
mecanismos de tolerancia a fallos de red y de gestión de movilidad para adaptarse
a las circunstancias cambiantes del entorno estudiado y a las necesidades de la
aplicación, todo ello sin sacrificar la eficiencia energética de la red y minimizando
la sobrecarga de paquetes de control generados. Para completar el proceso de
diseño se propone s-HARP, extensión del protocolo propuesto que proporciona
una formulación específica para la elección de los Cluster-Head y la formación de
los clusters y que mejora de forma notable el rendimiento de HARP.
La estructura de rutas propuesta en HARP y su mecanismo de recuperación
local de fallos son objeto de un estudio teórico que permite modelar el tiempo
de vida de las rutas entre cualquier par de nodos de la red y compararlo con
el correspondiente a otros tipos de protocolos de encaminamiento, demostrando
que el protocolo propuesto proporciona estadísticamente mejores prestaciones en
cuanto a la maximización de dicho tiempo.
La evaluación del rendimiento del protocolo se realiza en un nuevo simulador
diseñado específicamente para esta Tesis y que permite comparar el comportamiento
de HARP y s-HARP con respecto al de otros protocolos representativos
basándose en la definición de los parámetros necesarios que permiten evaluar la
eficiencia de cada uno de ellos. Los resultados obtenidos demuestran que tanto
HARP como s-HARP permiten aumentar considerablemente el tiempo de vida
útil de la red y maximizar el rendimiento energético del sistema. Por último, se
evalúan los mecanismos de operación y tolerancia a fallos en otros escenarios distintos
a las WSN y se mide el rendimiento del protocolo comparado con otros
protocolos existentes en la actualidad.
Descripción
Tesis Doctoral leída en la Universidad Rey Juan Carlos de Madrid en junio de 2011. Directores de la Tesis: Mark R. Wilby y Juan José Vinagre Díaz