PDF de programación - Protocolos para redes inalámbricas de sensores

Protocolos para redes inalámbricas de sensores

Tesis de Ingeniería en Informática

Jimena Garbarino
[email protected]

Directora

Lic. Adriana Echeverría

Universidad de Buenos Aires

Facultad de Ingeniería

7 de noviembre de 2011

2

Agradecimientos

A mi mamá Isabel Ubiedo y a mi papá Eduardo Antonio Garbarino.
A Sergio.
A mi directora de tesis, Lic. Adriana Echeverría.
A toda mi familia, que hace tiempo que no los veo porque estaba estudiando.
A mi hermana Florencia por insistir con que me reciba para reunirnos en
una fiesta.
A todos los que me dieron aliento y me ayudaron de distinta manera: Maxi,
Julia, Ale, Mariano MP y Naranjita, Valeria, Marcela, Agustín.
A los profesores que me inspiraron en los comienzos: Ing. Jorge Álvarez Juliá,
Ing. Ricardo Sirne, Lic. Rina Lombardi, Ing. Osvaldo Clúa, Ing. Leopoldo
Carranza. A mis primeros tres jefes.
A todos mis otros compañeros de facultad o del trabajo, a los que perse-
guí por los pasillos o por e-mail con alguna pregunta, especialmente a los
que me ayudaron a aprobar la última materia.

3

4

Índice general

1. Introducción

1.1. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Objetivos
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Organización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Redes inalámbricas de sensores

2.1.

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1. Topología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2. Nodo sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3. Cuestiones de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Tipos de aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1. Detección y reporte de eventos . . . . . . . . . . . . .
2.2.2. Recolección de datos y reporte periódico . . . . . . . .
2.2.3. Consulta iniciada por sumidero . . . . . . . . . . . . .
2.2.4. Seguimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.5. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Estándares de comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1. Bluetooth y Wi-Fi
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2. Estándar IEEE 802.15.4-2006 . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3. ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.4. WirelessHART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Protocolos de red

3.1. Problema del encaminamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Encaminamiento jerárquico . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1. Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2. LEACH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Encaminamiento geográfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1. Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2. Por coordenadas virtuales . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Encaminamiento centrado en los datos . . . . . . . . . . . . .
3.4.1. Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2. Energy-Aware Data-Centric Routing . . . . . . . . . .

17
17
19
20

21
21
23
24
26
29
29
31
32
32
33
33
33
35
40
47

55
55
57
57
59
62
62
64
69
69
70

5

ÍNDICE GENERAL

3.5. Diseminación de interés

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1. Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2. SPIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Consciencia de la energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.1.
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.2. Métricas de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.3. Flow Augmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74
74
77
82
82
83
85

4. Diseño de la simulación con Omnet++

4.1. ¿Qué es Omnet++? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1.
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2. Conceptos de modelado . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3. Descripción de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.4. Conceptos de simulación . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.5. Ambiente de desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.6. Definición de un módulo simple . . . . . . . . . . . . .
4.1.7. Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.8. Herramientas de análisis . . . . . . . . . . . . . . . . .

89
89
89
90
90
92
94
94
97
97
4.2. Diseño de la red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.2.1. MiXiM 2.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.2.2. Modelo de dispositivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.2.3. Topología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2.4. Tamaño del terreno y densidad de nodos . . . . . . . . 105
4.2.5. Modelo de despliegue
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.6. Modelo de aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2.7. Resumen del diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3. Métricas de evaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.1. Vida útil del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.2. Eficiencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.3. Uso de la energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.3.4. Calidad de servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3.5. Métricas no consideradas
. . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.6. Métricas seleccionadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

5. Implementación de módulos de red

115
5.1. Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2. Diseminación de interés con M-SPIN . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.1. Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.2. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2.3. Complejidad M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2.4. Detalles de implementación . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.2.5. Pseudocódigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.3. Consciencia de recursos con SAMF . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.3.1. Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

6

ÍNDICE GENERAL

5.3.2. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.3.3. Complejidad M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.3.4. Detalles de implementación . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3.5. Pseudocódigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.4. Módulo de técnica mixta: EA-SPIN . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.4.1. Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.4.2. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.4.3. Complejidad M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.4.4. Detalles de implementación . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.4.5. Pseudocódigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.5. Resumen de módulos desarrollados . . . . . . . . . . . . . . . 167

6. Simulación y conclusiones

169
6.1. Escenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.2. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.2.1. Complejidad M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.2.2. Métricas obtenidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.2.3. Análisis de confiabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.2.4. Consciencia de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.2.5. Experiencia con MiXiM 2.1 y Omnet++ 4.1 . . . . . . 191
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.3. Conclusiones
6.4. Resumen de aportes del trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.5. Trabajo futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

Apéndices

A. Glosario

194

197

B. Métricas

203
B.1. Recopilación de métricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
B.2. Métricas de simulaciones específicas
. . . . . . . . . . . . . . 206

C. Modificaciones a MiXiM 2.1

209
C.1. Energía de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
C.2. Total de mensajes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
C.3. Energía residual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
C.4. Sensibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

Referencias

213

7

ÍNDICE GENERAL

8

Índice de figuras

2.1.
Infraestructura de una red inalámbrica de sensores . . . . . .
2.2. Componentes de hardware del nodo sensor . . . . . . . . . . .
2.3. Componentes de software del nodo sensor . . . . . . . . . . .
2.4. Pila genérica de protocolos del nodo sensor
. . . . . . . . . .
2.5. Nodo sensor MicaZ de MEMSIC . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6. Tipos de aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7. Estructura del paquete de capa física IEEE 802.15.4 . . . . .
2.8. Superframe de IEEE 802.15.4 CSMA ranurado . . . . . . . .
2.9. Capas de protocolos de ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10. Red ZigBee estrella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.11. Red ZigBee malla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.12. Pila de protocolos WirelessHART . . . . . . . . . . . . . . . .
2.13. Malla WirelessHART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1. Jerarquía virtual en una red de sensores . . . . . . . . . . . .
3.2. Topología de red en LEACH . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Encaminamiento geográfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Encaminamiento geográfico en presencia de obstáculos . . . .
3.5. Nodos perímetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Máquina de estados del nodo EAD . . . . . . . . . . . . . . .
3.7. De estado indefinido a estado hoja . . . . . . . . . . . . . . .
3.8. Ejemplo de agregación de datos camino al sumidero . . . . .
3.9.
Implosión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10. Superposición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.11. Negociación SPIN pasos 1 y 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.12. Negociación SPIN