Protocolo de encaminamiento adaptativo para la optimización de comunicaciones de captura de datos y diseminación dirigida en redes de sensores inalámbricos

• Autores: Francisco Javier Atero Gómez
• Directores de la Tesis: Juan José Vinagre Díaz (dir. tes.), Mark Richard Wilby (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2011
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Ignacio Santamaría Caballero (presid.), Ana Belén Rodríguez González (secret.), Miguel Angel Sotelo Vázquez (voc.), Francisco Javier Ramos López (voc.), Carmen Sánchez Avila (voc.)
• Materias:
  • Matemáticas
    • Ciencia de los ordenadores
      • Diseño de sistemas sensores
      • Simulación
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de las telecomunicaciones
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: hdl.handle.net
• 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) se han convertido en foco de atención de la comunidad científica durante los últimos años ya que pueden utilizarse en multitud de aplicaciones que incluyen la monitorización ambiental, la agricultura de precisión, la gestión automatizada del hogar, la ayuda a la discapacidad, la eficiencia energética de edificios, la detección de intrusos, el seguimiento de objetos, la gestión de desastres y emergencias o la monitorización de señales corporales, entre muchas otras. Este abanico de soluciones se enmarca dentro de la llamada inteligencia ambiental (AmI, Ambient Intelligence), que promueve la creación de una interacción constante, directa y transparente del usuario con su medio circundante de forma que sea posible la oferta de servicios personalizados a las características particulares del mismo: hábitos, localización, preferencias, etc. Este modelo de computación ubicua (llamado también context-aware computing o pervasive computing) tiene como objetivo final el diseño de mecanismos e infraestructuras de comunicación que permitan a los nodos sensores integrarse en el medio ambiente de forma transparente e invisible al usuario. Una WSN puede estar formada por un gran número de sensores, típicamente cientos o miles, los cuales tienen importantes restricciones en cuanto a la capacidad de procesado, de memoria, de potencia de transmisión y, sobre todo, energética. Como consecuencia del despliegue de los nodos, a menudo en zonas extensas o de difícil acceso, en este tipo de redes puede existir imposibilidad de acceder físicamente a los nodos y a menudo el mantenimiento se limita a desplegar nuevos nodos que sustituyan a los que ya han agotado totalmente su energía, En este sentido, los procesos de auto-configuración de la red y de comunicación del sensor inalámbrico con otros nodos deben ser capaces de minimizar el consumo energético del dispositivo con objeto de mantenerlo el máximo tiempo posible activo dentro de la misma. El objetivo principal de esta Tesis es el de proponer y analizar 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, otro objetivo de diseño es el de proporcionar mecanismos eficientes 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 eficiencia energética y minimizando la sobrecarga de paquetes de control generados. Esta adaptación a la movilidad de los nodos es una cualidad intrínseca de HARP y que lo diferencia de la mayoría de los protocolos de encaminamiento propuestos hoy en día para WSN. Por fín, con el objetivo de completar el proceso de diseño del algoritmo, se propone s-HARP como extensión del protocolo propuesto, el cual proporciona una formulación específica para la formación de los clusters que mejora de forma notable el rendimiento de HARP, en particular, en redes heterogéneas con diferentes tipos de nodos sensores. La estructura de rutas propuesta en HARP y su mecanismo de recuperación local de fallos son objeto de un detallado estudio teórico en esta Tesis, el cual 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. Los resultados de simulación demuestran que el protocolo propuesto proporciona estadísticamente mejores prestaciones en cuanto a la maximización de dicho tiempo, lo que conlleva un ahorro energético adicional y permite reducir la sobrecarga de paquetes en la red. Por último, la evaluación del rendimiento del protocolo propuesto se realiza en un nuevo simulador específicamente diseñado y programado para esta Tesis, el cual permite comparar y evaluar el rendimiento tanto de HARP como de s-HARP con respecto al de otros protocolos representativos de WSN, una vez que se han definido los parámetros que permiten evaluar la eficiencia de todos 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 de redes ad-hoc móviles distintos a las WSN y se mide el rendimiento de la arquitectura jerárquica que propone el protocolo comparándola con otros protocolos existentes en la actualidad.