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

Abstract

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) gozan de gran auge hoy en día ya que pueden utilizarse en multitud de aplicaciones que incluyen la monitorización ambiental, la agricultura de precisión, la gestión automatizada del hogar, la eficiencia energética de edificios, la detección de intrusos, la gestión de desastres y emergencias o la monitorización de señales corporales, entre muchas otras. Una WSN puede estar formada por un gran número de sensores, los cuales tienen importantes restricciones en cuanto a la capacidad de procesado, de memoria, de potencia de transmisión y, sobre todo, energética. En este sentido, el proceso de comunicación del sensor inalámbrico con otros nodos debe ser capaz de minimizar el consumo energético del dispositivo con objeto de mantenerlo el máximo tiempo posible activo dentro de la red, en la cual los procesos de mantenimiento a menudo se limitan a desplegar nuevos nodos que sustituyan a los que ya han agotado totalmente su energía. En esta Tesis se propone 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, el protocolo propuesto proporciona mecanismos 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 la eficiencia energética de la red y minimizando la sobrecarga de paquetes de control generados. Para completar el proceso de diseño se propone s-HARP, extensión del protocolo propuesto que proporciona una formulación específica para la elección de los Cluster-Head y la formación de los clusters y que mejora de forma notable el rendimiento de HARP. La estructura de rutas propuesta en HARP y su mecanismo de recuperación local de fallos son objeto de un estudio teórico que 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, demostrando que el protocolo propuesto proporciona estadísticamente mejores prestaciones en cuanto a la maximización de dicho tiempo. La evaluación del rendimiento del protocolo se realiza en un nuevo simulador diseñado específicamente para esta Tesis y que permite comparar el comportamiento de HARP y s-HARP con respecto al de otros protocolos representativos basándose en la definición de los parámetros necesarios que permiten evaluar la eficiencia de cada uno de 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 distintos a las WSN y se mide el rendimiento del protocolo comparado con otros protocolos existentes en la actualidad.