Redes de sensores inalámbricas- 2007 Redes inalámbricas Redes con infraestructura Redes sin infraestructura Redes de sensores Tipos de aplicaciones Medios inalámbricos Ventajas y servicios de la red Características de las redes de sensores Consumo de energía restringido Tiempo de vida Distintos tipos de funcionamiento Algunos protocolos de ruteo

Redes Inalámbricas Las redes inalámbricas (Wireless) pueden clasificarse en dos grandes grupos: Redes con infraestructura Redes sin infraestructura (Ad-Hoc)

Redes con infraestructura

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

Redes Ad-hoc

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

Redes de sensores inalámbrica Formada por nodos sensores que recolectan información del ambiente, procesan los datos y los transmiten a una estación base o nodo sink. Son un tipo de red ad-hoc En general el número de sensores es muy grande. Los nodos son fijos. La estructura de la red es cambiante. Los nodos sensores, en general, no tienen identificación. Son redes con restricciones en energía y en ancho de banda.

Nodo sensor IEEE Wireless Communications • December 2004

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

Tipos de aplicaciones Niveles de contaminación en cursos hídricos Monitoreo de la polución ambiental en sectores con alta densidad de tráfico automotor. Monitoreo de posibles incendios en bosques Monitoreo de silos para acopio de cereales

Tipos de aplicaciones Monitoreo de la evolución del nivel de ríos y lluvias. Control sanitario del ganado vacuno. Monitoreo de personas. Aplicaciones militares

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

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

Servicios que aporta la red Sensar parámetros de interés. Supervisión continua del área a estudiar. Disponibilidad de datos para estadística. Alertas frente a situaciones criticas.

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

Características de una red de sensores Tolerancia a fallas Tiempo de vida Calidad de servicio Escalabilidad Amplio rango de densidad de nodos Operación eficiente en energía Autoconfiguración Colaboración entre nodos y procesamiento distribuido en la red. Ruteo centrado en datos

Consumo de energía Energía finita y generalmente no renovable Proceso Comunicación

Consumo de energía Energía finita y generalmente no renovable Comunicación Capacidad de proceso distribuida

Paradigmas de comunicación Cualquier nodo a cualquier nodo (redes ad-hoc) Varios nodos a uno ( redes sensores) Uno a varios nodos

Distintas posibilidades de funcionamiento de la red La interacción entre el sink y los nodos sensores determinan distintos tipos de aplicaciones: Detección de eventos Medición periódica. Combinar distintas de estas alternativas

Distribución de los nodos sensores Distribución random Distribución fija Nodos móviles

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

Directo vs varios saltos Routing and Clustering Xing Zheng

Clusters Es un grupo de sensores que se comunican con un nodo, llamado cabecera de cluster, que es el que procesa y realiza la agregación de los mensajes recibidos. Hierarchical-Battery Aware Routing in Wireless Sensor Networks Ravi Musunuri Jorge A. Cobb

Algunos protocolos de ruteo Spin Difusion dirigida Leach

Protocolos basados en la negociación SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation) Usan descriptores de información para negociación, antes de transmitir los datos. Existe toda una familia de protocolos SPIN.

Tipos de mensajes ADV : Cuando un nodo SPIN tiene algún dato para transmitir, envía un mensaje ADV a sus vecinos conteniendo descriptores del dato. REQ : Cuando un nodo SPIN desea recibir datos, envía un mensaje REQ. DATA : Es el mensaje de datos

Difusión dirigida Es un protocolo de diseminación de datos reactivo, donde las rutas se calculan cuando son necesarias. La comunicación la inicia el nodo sink. Se propaga un interés por la red, a partir del sink. Aquellos que satisfacen el interés envían datos hacia ese nodo.

Difusión dirigida Todos los nodos tienen una cache de intereses. Cada interés contiene distintos campos, además del propio interés: Timestamp:tiempo en que se recibió el interés Gradient:valoración de los datos dada por cada vecino y dirección Duration: tiempo de vida del interés

Difusión dirigida Cuando un nodo recibe un interes: Busca en su cache si existe uno que haga matching: Si no existe lo guarda, colocandole un gradiente (valoración y sentido), asi como timestamp y duración. Si existe le actualiza timestamp y duración

Difusión dirigida Un nodo que recibe un interés de un vecino lo puede reenviar, estableciéndose la difusión en la red. Cuando un nodo detecta un evento, busca en su cache de interés para ver si tiene algún interés que haga matching, si lo encuentra comienza a transmitir a sus vecinos hasta que el sink determine cual es la mejor ruta a seguir.

Leach Trabaja con clusters. La selección del cabecera de cluster se realiza en forma dinámica mediante algún algoritmo basado en randomizacion de forma que el drenaje de energía sea lo más uniforme posible. Existe un número optimo de cluster a seleccionar que tiene relación con la cantidad total de nodos de la red. (5%) Utiliza agregación de datos.

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

Tiempo de vida de la red

Aplicaciones

Aplicaciones en desarrollo Great Duck Island. Environmental monitoring. Red de sensores para observar el comportamiento de una especie de aves. Berkeley University SSIM (artificial retina) [19] Health Image identification, 100 sensors per retina. Michigan University Object tracking .Military Collaborative. Zurich University Smart kindergarten: sensor-based wireless networks for smart developmental problem-solving enviroments. Universidad de los Angeles

Referencias A taxonomy of wireless micro-sensor networks. Tilak S, Ghazaleh A & Heinzelman W. A Survey on Routing Protocols for Wireless Sensor Networks. Kemal Akkaya and Mohamed Younis A Survey of Application Distribution in Wireless Sensor Networks. EURASIP Journal onWireless Communications and Networking 2005:5, 774–788. 2005 Mauri Kuorilehto et al. A short survey of wireless sensor networks. Holger Karl, Andreas Willig Hierarchical-Battery Aware Routing in Wireless Sensor Networks. Ravi Musunuri Jorge A. Cobb Wireless sensor networks: a survey. I.F. Akyildiz, W. Su*, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci