Strategies and tools for deployment and optimization of wireless sensor networks
- Autores: Gabriel Noe Mujica Rojas
- Directores de la Tesis: Jorge Portilla Berrueco (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Javier Uceda Antolín (presid.), Teresa Riesgo (secret.), Marta Portela García (voc.), Koen Langendoen (voc.), Roberto Sarmiento (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
El campo de investigación de las Redes de Sensores Inalámbricas (en inglés Wireless Sensor Networks, WSN) ha experimentado un importante y progresivo proceso de maduración que ha involucrado la definición de nuevas tecnologías a nivel hardware y software con el fin de abordar escenarios de aplicación mucho más demandantes, en los que plataformas flexibles y adaptables juegan un papel fundamental para la consecución de los requisitos de aplicación y provisión de servicios dentro de diversos entornos de implementación. Aunque el concepto de redes de sensores y computación ubicua se ha ido desarrollando desde la década de los noventa, la evolución de tecnologías de comunicaciones inalámbricas así como el objetivo de alcanzar sistemas globalizados sostenibles, inteligentes e interoperables han traído consigo nuevos paradigmas que de alguna manera también marcan el horizonte de las aplicaciones y tecnologías asociadas a las WSNs. En este sentido, es esencial destacar la inclusión del concepto del Internet de las Cosas (en inglés Internet of Things, IoT), que representa uno de los pilares en la implementación de las llamadas ciudades del futuro, y que marcan un nuevo enfoque en el desarrollo de sistemas embebidos inteligentes, de bajo consumo y distribuidos.
Dicho proceso de innovación implica a su vez nuevos y más complejos retos en el ámbito de las redes de sensores inalámbricas debido a la integración intrínseca de una amplia variedad de protocolos, algoritmos y tecnologías heterogéneas que permitan maximizar su viabilidad y rendimiento dentro de la implementación final de sistemas como un todo, más allá del funcionamiento de elementos individuales. La complejidad asociada a la convergencia de tales tecnologías hace que el ciclo de desarrollo de una WSN abarque no sólo una combinación de técnicas de optimización y experimentación en cada una de las etapas de dicho proceso de desarrollo (hasta la operación final y mantenimiento del sistema), sino también una adecuada correlación entre las mismas, para así garantizar el alcance de la solución completa objetivo. En este sentido, durante los últimos años ha habido importantes aportaciones en el estado del arte relacionados con estrategias de desarrollo y planificación de sistemas embebidos inalámbricos, incluyendo técnicas de simulación como preámbulo a la implementación real de la red de sensores. Sin embargo, existe una carencia dentro de la definición de frameworks, metodologías y herramientas que proporcionen un completo soporte para el despliegue, puesta en marcha (que se enmarca dentro de las llamadas estrategias de commissioning) y validación en campo de WSN que permitan asegurar la cohesión y operación global del sistema dentro del escenario de aplicación objetivo. Normalmente, la fase experimental del ciclo de desarrollo más allá del proceso de simulación de la solución objetivo se lleva a cabo a través de infraestructuras de pruebas, en las que avances significativos en el área de plataformas testbeds de redes de sensores han sido propuestas en la última década, con el fin de dotar las actividades de experimentación con arquitecturas reales de depuración y evaluación. No obstante, una menor cantidad de trabajos de investigación se centran en analizar y proveer una sinergia directa entre estrategias de modelado y planificación con técnicas eficientes de despliegue y evaluación de redes de sensores in-situ (especialmente en términos mecanismos de interconexión y encaminamiento entre los nodos sensores distribuidos). En este trabajo de investigación se abordan estos importantes retos mediante el diseño e integración de un completo set de estrategias y herramientas de optimización dentro de una novedosa plataforma de despliegue en campo, la cual permite llevar a cabo el análisis, reconfiguración y evaluación del rendimiento de la WSN de forma directa dentro del escenario de aplicación y de forma eficiente. Para conseguir este propósito, las fases de experimentación y puesta en marcha se plantean en esta tesis doctoral desde una perspectiva pre-despliegue y despliegue in-situ. Por un lado, la fase pre-despliegue se aborda a través de la propuesta de un nuevo framework para testbeds de redes de sensores inalámbricas basado en la modularidad y flexibilidad de una plataforma hardware-software embebida, sobre la cual el análisis experimental de prototipos para WSN se puede efectuar considerando los siguientes elementos: - Un esquema de soporte para pruebas y experimentación remota que permita la reconfiguración y ejecución de acciones de depuración sobre los nodos sensores objetivo, de manera que un escenario experimental más realista basado en prototipos de redes de sensores de bajo consumo y recursos limitados pueda ser dispuesta, y de forma tal que nuevos prototipos hardware-software se evalúen y optimicen dentro del marco de la arquitectura modular propuesta. Ello se plantea mediante la composición de un canal de depuración secundario híbrido.
- Estrategias de reprogramación parcial en tiempo real mediante la definición de una estructura basada en segmentos de memoria dentro de la plataforma modular de WSN, encaminado a modularizar las funcionalidades bajo test y evaluación y optimizar el proceso de reconfiguración del software embebido en los nodos. Dicha técnica de reprogramación es extensible a despliegues en campo y fases de operación estables de red, en el que el reemplazo y/o actualización eficiente de bloques funcionales en términos de consumo de recursos y energéticos representan uno de los principales elementos clave para obtener una mayor autonomía a largo plazo del sistema desplegado. - Una plataforma de integración HW-SW que permita proporcionar a los desarrolladores de sistemas basados en nodos inalámbricos soporte para una efectiva gestión embebida en el nodo de los recursos disponibles en la arquitectura modular, además de controladores hardware e interfaces a nivel de sistema de los dispositivos sensores. Por otro lado, la fase de despliegue se afronta en este trabajo a través del diseño e implementación de una completo set de herramientas interrelacionadas para llevar a cabo el despliegue, validación y ejecución de WSN en campo, en el que la definición de una metodología de despliegue junto con la inclusión de módulos de optimización y análisis comparativos en tiempo real in-situ son integradas en una dispositivo inteligente móvil, y que combina en una única plataforma soporte modelos de simulación con el funcionamiento real del sistema objetivo durante las tareas de instalación, configuración, puesta en marcha y evaluación del rendimiento de la red de sensores en todo su conjunto. Ello permite generar resultados más adaptados y precisos de cara a obtener una operación final eficiente de la WSN en el escenario de aplicación. Esta novedosa plataforma se basa en la integración de funcionalidades heterogéneas considerando los siguientes elementos de innovación: - Modelos de despliegue y red con el fin de definir de forma adecuada los principales elementos hardware y software que formarán parte de la arquitectura global de la WSN, los cuales se encuentran estrechamente relacionados con el proceso de diseño, síntesis y generación de código del sistema embebido, y basado en los requisitos del sistema a desplegar. Ello permite proporcionar una estructura bien definida de entradas y salidas no sólo a los sub-sistemas que componen la herramienta de despliegue en campo sino también al ciclo de desarrollo de la red de sensores inalámbrica.
- Motores de simulación in-situ para así proporcionar al usuario deployer una estimación de la correlación nodo/red basado en acciones de reconfiguración y parametrización en tiempo de ejecución sobre los nodos sensores, cuyo resultado puede ser comparado de forma interactiva con la evolución del comportamiento real del sistema conjunto, y tomando en cuenta cómo dichas acciones pueden afectar de forma global el rendimiento de la WSN (mas allá de su influencia a nivel local).
- Algoritmos de optimización de despliegue y guía automática en campo que permitirán obtener la matriz real de correlación y configuración de red de modo eficiente, de forma tal que la cohesión de la WSN en todo su conjunto pueda ser alcanzada tomando en consideración un compromiso entre consumo de energía/recursos y la fiabilidad de las interconexiones involucradas entre los dispositivos inalámbricos (tanto a nivel de comunicaciones como a nivel de operación). - Implementación de técnicas eficientes de interconexión multi-salto malladas dentro de la plataforma modular HW-SW, combinadas con estrategias de evaluación de conectividad de los nodos a diferentes niveles de abstracción, con el fin de poder proveer soporte en el análisis del rendimiento de los protocolos de comunicaciones de baja tasa de transferencia de datos y recursos limitados en los dispositivos inalámbricos que forman parte de la WSN objetivo. En tal sentido, se toma en cuenta de forma particular la integración de esquemas de encaminamiento dinámico y adaptable en la arquitectura modular propuesta.
- Integración de una capa de abstracción de servicios soporte basada en una implementación middleware así como el diseño de una interfaz de depuración en campo dentro de la herramienta de despliegue, enfocado a establecer un canal de configuración e interacción en tiempo de ejecución con los nodos sensores de forma directa en el entorno de aplicación y en total sintonía con los modelos de despliegue/red definidos. Ello permite a los usuarios producir una realimentación mucho más completa al ciclo de desarrollo de la WSN en función del análisis comparativo de los datos reales y simulados de la red, en conjunción con los resultados obtenidos como salida del proceso de evaluación en campo del sistema global. El diseño e implementación del set de herramientas de despliegue se ha realizado prestando especial atención a la generación de interfaces intuitivas y de fácil uso desde el punto de vista del deployer, para así poder proveer asistencia durante las tareas de puesta en marcha, evaluación y mantenimiento en campo de forma consistente. En este sentido, la plataforma inteligente se compone principalmente del denominado Hand-Held Device (HHD) en el que las tecnologías de WSN, módulos de simulación in-situ, optimización y evaluación funcional son integrados de manera efectiva e interrelacionados entre sí, para así guiar al usuario durante todo el proceso de despliegue de la red de sensores inalámbrica en el escenario objetivo. Se han llevado a cabo y analizado diversos casos de pruebas y experimentación dentro de este trabajo de investigación con el fin no sólo de validar las técnicas propuestas y su integración dentro de una plataforma unificada, sino también para contextualizar su aplicabilidad a través de distintos ámbitos reales prácticos, en los que el soporte y asistencia de las estrategias pre-despliegue y despliegue en campo han jugado un rol fundamental para la consecución de los objetivos y requisitos de tales sistemas basados en WSN.
Con el fin de abordar en detalle el trabajo realizado dentro del marco de la presente tesis doctoral, la organización del documento se ha desglosado de 6 capítulos. En el capítulo 2 se plantea un análisis comparativo del estado del arte de testbeds para WSN, además de exponer los principales motivos que engloban el diseño del framework de integración HW-SW para testbeds basados en la plataforma modular propuesto en este trabajo. La arquitectura hibrida desarrollada junto con las estrategias de reprogramación parcial y remota también se incluyen dentro de este capítulo. Por otro lado, el capítulo 3 abarca una de las principales contribuciones de esta tesis doctoral, que tiene que ver con el set de herramientas para el despliegue de WSNs en campo, incluyendo el análisis de aquellos aspectos que acentúan la necesidad de contar con una plataforma HW-SW bien definida y unificada para llevar a cabo la configuración, evaluación y mantenimiento en campo del despliegue de redes sensores inalámbricas. En base a ello, el capítulo 4 se ha dedicado a sintetizar la implementación a alto nivel del set de herramientas de despliegue y cómo las principales capacidades del sistema propuesto han sido integradas en una interfaz de usuario conjunta y heterogénea. En el capítulo 5 se describen algunos de los principales casos experimentales con el fin de validar no sólo las estrategias que integran la herramienta de despliegue en campo, sino también su inclusión dentro de diferentes condiciones de aplicación, incluyendo los retos, el diseño y desarrollo de un demostrador inteligente realizado dentro del contexto de la presente tesis y enfocado al ámbito de las Smart Cities. Finalmente, conclusiones, principales aportaciones científicas y resumen del trabajo de investigación futuro como fruto de esta tesis son presentados en el capítulo 6.
