Introducción a las Redes de Sensores Inalámbricos (WSN)

Introducción a las Redes de Sensores Inalámbricos (WSN)

• Las WSN están formadas por dispositivos autónomos pequeños, llamados sensores, nodos o "motas".
• Estos dispositivos tienen capacidad de proceso y realizan comunicaciones inalámbricas.
• WSN significa Wireless Sensor Networks en inglés.
• A pesar de la diversidad de nodos y redes, su clasificación puede ser compleja.
• La función principal de una WSN es interactuar con el entorno, lo cual implica:
  • Medir
  • Decidir
  • Informar
  • Actuar
• Las aplicaciones generales de las WSNs incluyen:
  • Toma de medidas periódicas
  • Detección de eventos y alarmas
  • Repetición de tareas programadas
  • Cálculo distribuido
• Las WSNs se aplican en áreas como:
  • Salud
  • Vigilancia y seguridad
  • Bio-ingeniería
  • Prevención y control de fenómenos ambientales
  • Automatización y control industrial
  • Smart Cities
  • Domótica e Inmótica
  • Automoción
  • La Internet de las Cosas (IoT)

Características de las WSN

• La versatilidad de las WSN permite una amplia diversidad de aplicaciones, gracias a:
  • Dispositivos electrónicos autónomos
  • Tamaño reducido
  • Capacidad de procesamiento
  • Comunicaciones inalámbricas
• Las características mencionadas implican limitaciones importantes.
• El tamaño reducido de los nodos varía desde decenas de centímetros hasta un par de ellos.
• Es clave mantener bajos los costos de fabricación.
• La conexión de sondas permite mayor cantidad de aplicaciones.
• Existen límites en la capacidad de cómputo, memoria, almacenamiento y comunicaciones.

Limitaciones Adicionales de las WSN

• Suelen ser sistemas autónomos
• Generalmente carecen de conexión a fuentes de alimentación externas, lo que asegura su funcionamiento prolongado.
• Los nodos suelen usar fuentes de energía finita (baterías internas o acopladas).
• La vida útil de un sensor es limitada en el tiempo La vida útil de la red también se ve limitada.
• Es común el uso de paneles solares en los más pequeños.
• Se usan técnicas de recolección de energía de ondas EM circundantes.

Arquitectura Interna

• Un nodo de una red de sensores se compone de tres unidades:
  • Unidad de monitorización
  • Unidad de proceso
  • Unidad de comunicaciones o transceptora
• Todas están alimentadas por una fuente de alimentación común de capacidad limitada.
• Esta estructura define el potencial y las limitaciones de los sensores.

Modos de Operación

• El software de un nodo permite seleccionar diversos modos de operación:
  • Activo: Todas las funciones del nodo sensor operativas.
  • Inactivo: Estado de bajo consumo.
    • Se reducen las funciones del procesador e interfaces no esenciales.
    • Reacciona a eventos (recepción de mensajes, temporizador, etc.) para procesar información y volver a inactivo.
  • Totalmente inactivo: Consumo mínimo (memoria).
    • Las funciones están inoperativas, incluyendo el encaminamiento.
    • Activa el sensor al vencer un temporizador o una actuación directa.
• El envío de datos depende de lo que se mide:
  • Continuo: Envío periódico.
  • Event-driven: Envío según un evento especial.
  • Query-driven: Envío a solicitud.
  • Hybrid: Combinación de los anteriores.

Retos en Redes de Sensores

• Consumo de energía
  • Tiempo de proceso
  • Comunicaciones
  • Ciclos de trabajo
  • Control de topología
• Organización de la red
  • Formación de clústeres
  • Cobertura
• Encaminamiento
• Agregación de datos

Arquitecturas de Red

• Centralizadas: Un nodo especial (estación base o "sink") recibe y procesa la información de los nodos.
• Distribuidas: Cada nodo mide el entorno, procesa la información y actúa si es necesario.
• Híbridas: Hay nodos especiales que recolectan información; cada nodo realiza parte del trabajo para evitar transmisiones innecesarias.
• Jerárquicas: Se forman clústeres de nodos liderados por un "cluster head" (CH), que recolecta datos de los miembros del clúster y los transmite a la estación base.

Topologías de Red

• Las redes de sensores se pueden desplegar en cualquier topología:
  • Mallada
  • Estrella
  • Jerárquica

Tecnologías de Redes Inalámbricas de Sensores: Algo de Historia

• Históricas:
  • Crossbow Mica- e IRIS:
    • Usan TinyOS, ahora fabricado por MEMSIC
  • Telos:
    • Desarrollado por UC Berkeley
    • Usa TinyOS, ahora fabricado por MEMSIC
  • SunSpot de Sun (ahora Oracle):
    • Sin soporte

Tecnologías de Redes Inalámbricas de Sensores: Actuales

• Equipos Mica-z, Iris o Telos-B de nuevos fabricantes.
• Wasp mote de Libelium.
• Z1, RE-Mote o Firefly de Zolertia.
• Otras plataformas:
  • Arduino
  • Raspberry Pi
  • Intel Edison

Sistemas Operativos

• TinyOS: Sistema operativo de código abierto bajo licencia BSD para dispositivos inalámbricos de bajo consumo.
• Contiki: Sistema operativo de código abierto para la Internet de las Cosas (IoT).
• Squawk: Versión de la máquina virtual de Java micro edition virtual machine para sistemas embebidos.

Torre de Protocolos

• Torre OSI o TCP/IP:
  • Ofrece interacción con protocolos estándar.
  • Menos eficiente.
  • Mayor portabilidad de las soluciones.
• Crosslayer:
  • Enfoque funcional y sistémico en planos.
  • Mayor eficiencia.
  • Dependencia de la plataforma.
  • Menos portable.

Protocolos de Red: Envío de Información

• IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN):
  • RFC 4944 "Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks", Septiembre 2007.
  • RFC 6282 "Compression Format for IPv6 Datagrams over IEEE 802.15.4-Based Networks", Septiembre 2011.
  • RFC 6775 "Neighbor Discovery Optimization for IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPANs)", Noviembre 2012.
  • Permite usar UDP y TCP en redes de sensores.
  • Permite la transmisión de paquetes IPv6 en redes LR-WPAN (IEEE 802.15.4).
  • Genera direcciones de red basadas en la dirección MAC.
  • MTU: 1280 bytes, capa de re-ensamblado.
  • Compresión de cabecera.

Protocolos de Red: Enrutamiento

• Heredados de las redes MANET (Mobile Ad-hoc Network):
  • Optimized Link State Routing Protocol (OLSR):
    • Basado en la métrica de estado de enlace.
    • Proactivo, actualiza las rutas al cambiar la red.
    • Pensado para redes grandes y densas.
    • Descrito en RFC 3626.
  • Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing:
    • Basado en la métrica de vector-distancia.
    • Protocolo reactivo que busca la ruta al enviar.
    • Para redes de diversos tamaños, tasas de movilidad y tráfico de datos.
    • Descrito en RFC 3561.

Protocolos de Red: Transporte

• Los protocolos de transporte permiten la comunicación entre los procesos de aplicación dentro de las WSN.
• Se utilizan para:
  • Controlar la congestión de la red.
  • Control de errores.
  • Gestionar la comunicación extremo a extremo (conexiones y confiabilidad).

Ejemplos de Protocolos de Transporte

• Clásicos: UDP o TCP.
• MQTT (Message Queuing Telemetry Transport o "mosquito").
• Propietarios:
  • SunSPOT:
    • RadioGram: Envía datagramas y capacidad de difusión.
    • RadioStream: Orientado a la conexión con control de errores, secuencia y búferes en envío y recepción.