Routing Design in Wireless Sensor Networks and a Solution for

IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 9, NO. 3, JUNE 2011
353
Routing Design in Wireless Sensor Networks and a
Solution for Healthcare Environments
Ruben Hidalgo and José Ignacio Moreno, Member, IEEE
Abstract— Wireless sensor networks (WSN) are currently on
development on different application domains. Due the different
nature of these applications from demotic to healthcare domains
a large number of routing protocols has been proposed according
to the application and architecture. This article provides a
characterization of routing protocols for WSN as well as the
identification of relevant parameter to consider during
selection/design. A routing solution for WSN is proposed and
validated as main contribution of this paper.
Keywords— Wireless Sensor Networks, Routing Protocols,
IEEE 802.15.4.
S
I. INTRODUCCIÓN
E HAN realizado grandes progresos tecnológicos que han
permitido fabricar sensores de bajo coste, bajo consumo,
pequeño tamaño y con capacidades de comunicación
inalámbricas. Estos sensores son capaces de observar y
reaccionar ante cambios en su entorno. Una vez desplegados,
son capaces de formar una red multisalto Ad-Hoc y
comunicarse entre ellos o con un nodo sumidero (sink) que
actuaría como recolector de la información de la red. Un
usuario remoto podría enviar comandos a los sensores a través
del nodo sumidero [1]. El potencial uso, presente y futuro, de
este tipo de redes y el gran número de estudios de
investigación que se están publicando en la actualidad, hace
que este tipo de red se esté convirtiendo en una de las
tecnologías clave para soportar un gran número de
aplicaciones. Los campos de uso de ésta tecnología son
muchos y muy variados, algunos de éstos son:
• Información de fenómenos físicos de interés: Permitiendo
la construcción de un modelo físico del mundo más
preciso.
• Automatización del hogar (domótica): Reduciendo costes
de instalación [2].
• Aplicaciones militares: Vigilancia del campo de batalla.
•
Aplicaciones médicas: Monitorización de parámetros
____________________________________
Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el Ministerio de Industria a
través de proyecto LoRIS (FIT-330211-2006-6) y ECOCPD (TSI-0203022010-49), y la Comisión Europea a través del proyecto ENERSIP (FP7-ICT247624).
R. H. López, Universidad Carlos III de Madrid, Madrid, España,
ruben.hidalgo@uc3m.es
J. I. M. Novella, Universidad Carlos III de Madrid, Madrid, España,
joseignacio.moreno@ieee.org
fisiológicos de pacientes de forma remota [3].
Una parte trascendental a tener en cuenta en el despliegue
de este tipo de redes, es el diseño e implementación de los
protocolos de encaminamiento. Normalmente, los sensores
que forman estas redes tienen recursos energéticos limitados,
es más, en algunos escenarios será imposible llegar
físicamente al nodo sensor para reemplazar su batería cuando
ésta se agote, y la capacidad de cómputo que presentan es muy
baja. Estas características hacen que los protocolos de
encaminamiento desarrollados para redes de sensores deban
ser sencillos en términos de computabilidad, y además
intenten reducir el consumo de energía al mínimo.
Este artículo pretende estudiar las redes de sensores desde
la perspectiva del encaminamiento, subrayando una serie de
parámetros a tener en cuenta en el diseño o elección de un
protocolo de encaminamiento. Además, expone una solución
de encaminamiento diseñada e implementada para un
escenario de telemedida en el que se utiliza una red de
sensores inalámbrica para la monitorización remota de
pacientes en entornos socio-sanitarios, como puede ser la
monitorización cardiaca, temperatura, etc de los pacientes sin
métodos intrusivos.
El resto del artículo se organiza como sigue: la sección II se
presenta una clasificación de protocolos de encaminamiento
para RSI. La sección III describe los principales parámetros
propuestos a tener en cuenta en el diseño/elección de un
protocolo de encaminamiento para redes de sensores. En la
sección IV se expone la solución de encaminamiento
desarrollada para un entorno de telemedida, y en la sección V
se describen brevemente los resultados obtenidos en la fase de
validación. Por último, se exponen las conclusiones finales en
la sección VI.
II. PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO
Debido principalmente a las características tan especiales
que presentan este tipo de redes, y que hacen que sea difícil
aplicar en éstas los protocolos de encaminamiento presentes
en redes Ad-Hoc, se han desarrollado algoritmos específicos
para este tipo de redes.
A. Protocolos de encaminamiento para redes Ad-Hoc.
Los
protocolos
de
encaminamiento
desarrollados
específicamente para redes Ad-Hoc se pueden clasificar en
inundación, proactivos y reactivos [4].
1) Inundación
Mediante esta técnica no se establecen ningún tipo de rutas.
Los nodos según les llega la información la transmiten a todos
354
IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 9, NO. 3, JUNE 2011
los nodos que tengan a su alcance. Este tipo de técnica se
suele usar para la transmisión de paquetes de control que
sirven de apoyo a otras técnicas que serán las encargadas del
envío de los paquetes de datos.
2) Proactivos
En este tipo de protocolos, las rutas a todos los posibles
nodos están calculadas a priori y se mantienen actualizadas
(intercambio periódico de mensajes). Esta forma de
funcionamiento supone un gran consumo de ancho de banda,
al tener que transmitir todas las entradas de las tablas para
actualizar las rutas. Por otro lado, la latencia que presentan
estos protocolos es muy baja ya que desde un primer momento
se encuentran disponibles las rutas hacia el destino. Un
ejemplo de este tipo de protocolos es DSDV[5] (The
Destination- Sequenced Distance-Vector Routing Protocol).
3) Reactivos
A este tipo de protocolos se les conoce como bajo demanda,
ya que solamente buscan las rutas en el momento en que las
necesitan. Esta forma de funcionamiento implica mucho
menor coste en energía y consumo de ancho de banda, en
comparación con los protocolos proactivos anteriormente
mencionados. Algunos protocolos reactivos son: AODV [6]
(Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing) y DSR [7]
(Dynamic Source Routing).
B. Protocolos de encaminamiento para redes de sensores
Al ser típicamente mucho mayor la escala de redes de
sensores comparada con las redes Ad-Hoc, protocolos
reactivos como AODV o DSR no escalan bien para éstas
cuando el número de nodos es muy grande, ya que conllevan
almacenar y gestionar largas tablas cachés de rutas [1]. Así
que se han realizado muchos esfuerzos en el desarrollo de
protocolos de encaminamiento específicos para redes de
sensores. La tabla I muestra las principales diferencias entre
estos 2 tipos de redes.
En [8] se puede encontrar un completo estudio de
protocolos de encaminamiento diseñados para RSI, los cuales
se pueden clasificar de 3 maneras distintas.
TABLA I
DIFERENCIAS ENTRE RED AD-HOC Y RED DE SENSORES
Red Ad-Hoc
Red de Sensores
Nº nodos
Medio, Bajo
Alto, Medio
Cambios topología
Movilidad nodos
Fallo de nodos
Destino inf.
n-n
n-1 (sumidero)
Redundancia datos
No habitual
Habitual
Energía
Menos crítica
Más crítica
Computación/Memoria
Alta, Media
Baja
Direccionamiento
Nivel de red (IP)
Propio
1) Según cuándo el nodo origen descubre una ruta al nodo
destino. En este caso, al igual que en redes Ad-Hoc, se tienen
dos tipos de protocolos: proactivos y reactivos. También
existe un tercer tipo, híbridos, que es el resultado de la
combinación de las dos técnicas anteriores.
2) Según la estructura de la red
En esta clasificación los protocolos se dividen en:
Encaminamiento para redes planas o encaminamiento
centrado en los datos. En este tipo de redes todos los nodos
que forma parte de la red de sensores se les asigna la misma
función y colaboran juntos para desarrollar la tarea de
monitorización. Se usa encaminamiento centrado en los datos:
las peticiones no son direccionadas a nodos específicos, sino
que indican el interés del nodo sink por recibir datos de una
cierta naturaleza concreta. Algunos ejemplos son SPIN[9]
(Sensor Protocols for Information via Negotiation), Directed
Diffusion [10], Rumor Routing [11].
Encaminamiento basado en cluster. Al añadir una arquitectura
jerárquica en la red (cluster), los nodos con mayores recursos
energéticos (clusterheads) pueden procesar y enviar la
información, mientras que los demás solamente se encargan
de la función de monitorizar el entorno. Ejemplos de
protocolos de encaminamiento jerárquico son LEACH [12],
PEGASIS (Power- Efficient Gathering in Sensor Information
Systems) [12], HPAR (Hierarchical Power-aware Routing)
[13] .
Encaminamiento basado en localización. En este caso los
sensores son direccionados mediante sus localizaciones
físicas: las cuales pueden ser obtenidas intercambiando
información entre vecinos o vía GPS (Global Positioning
System). Ejemplos de este tipo de encaminamiento son los
protocolos GAF (Geographic Adapttive Fidelity) [14] y
GEAR (Geographic and Energy Aware Routing) [15].
3) Según la funcionalidad del protocolo de encaminamiento.
Otra clasificación, que engloba también a los protocolos
clasificados con anterioridad, se puede hacer según la
funcionalidad del protocolo de encaminamiento. Algunos
protocolos son híbridos y encajan en más de una categoría:
Encaminamiento con QoS (Quality of Service). El protocolo
de encaminamiento busca rutas que satisfagan la QoS
requerida por una aplicación. En [16] se presenta un estudio
del estado del arte relativo al soporte de QoS en redes de
sensores.
Encaminamiento basado en negociación. En este caso, se
intercambian mensajes de negociación con el siguiente nodo o
con el nodo sink antes de enviar los datos, evitando así enviar
información duplicada (ahorro de energía). Un ejemplo de
protocolo de encaminamiento basado en negociación es SPIN.
Encaminamiento multicamino. Estos protocolos mantienen
caminos alternativos al destino (redundancia) para mejorar su
tolerancia a fallos. Ejemplos de estos protocolos son Directed
Diffusion o HPAR.
Encaminamiento basado en petición. El destino propaga una
petición de datos a través de la red, y todos los nodos que
tengan datos que concuerden con la petición, responderán a
ésta. Algunos protocolos de este tipo son Directed Diffusion y
Rumor Routing.
HIDALGO LÓPEZ AND MORENO NOVELLA : DESIGN OF A ROUTING SOLUTION
355
DE UN PROTOCOLO DE
ENCAMINAMIENTO PARA REDES DE SENSORES
los datos que pueden aparecer repetidos dentro de la
comunicación.
Como se ha visto en el apartado anterior, el diseño de un
protocolo de encaminamiento para redes de sensores está muy
influenciado por la aplicación concreta para la cual se utiliza y
por la arquitectura de red presente, que en el fondo también
depende de la aplicación objetivo de la red. Entre los puntos
más importantes a tener en cuenta en el diseño o elección de
un protocolo de encaminamiento para una aplicación
determinada están (tabla II):
Calidad de servicio (QoS).
La QoS requerida por la
aplicación, que puede expresarse en término de tiempo de vida
de la red, fiabilidad de entrega de datos, eficiencia energética,
retardo, etc. El protocolo de encaminamiento utilizado tendrá
que descubrir rutas que permitan satisfacer dicha QoS.
III. DISEÑO/ELECCIÓN
Despliegue de los nodos. El despliegue en este tipo de redes
puede ser determinista (los nodos se instalan manualmente y
se les configuran rutas estáticas) u organizarse por si mismo
(los sensores, después de ser instalados, son capaces de
conocer los demás dispositivos y descubrir rutas al destino a
TABLA II
PARÁMETROS DISEÑO/ELECCIÓN DE PROTOCOLO DE ENCAMINAMIENTO
Parámetro
Valor
Despliegue
Determinista, Aleatorio
Movilidad
Alta, Baja, Nula
Diferenciación nodos
Homogeneidad, Heterogeneidad
Escala
Alta, Baja
Densidad
Alta, Baja
Modelo de entrega de datos
Periódico, Evento, Consulta,…
Frecuencia y cantidad datos
Alta, Media, Baja
Agregación de datos
Sí, No
Calidad de Servicio
Tiempo de vida de red, Retardo,
Fiabilidad, …
través de alguna técnica de encaminamiento dinámico).
Movilidad. A las redes de sensores se les presupone menor
movilidad que a las redes Ad-Hoc o incluso nula. Cuando los
sensores permanecen estáticos es preferible utilizar protocolos
proactivos que reactivos, ya que una cantidad de energía
significante es usada durante el descubrimiento de ruta.
IV. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA SOLUCIÓN DE
ENCAMINAMIENTO
A continuación se va a presentar una solución de
encaminamiento desarrollada para un entorno de telemedida
[17].
A. Descripción del escenario de aplicación
Se trata de una aplicación de telemedida para entornos
socio-sanitarios, cuya finalidad es la monitorización de
pacientes dentro de interiores, desarrollado dentro del
proyecto LoRIS [18].
En la Fig.1 se puede observar de forma simplificada el
escenario de aplicación, donde el terminal de usuario (sensor
móvil portado por un paciente) envía información a una
pasarela a través de una red de sensores inalámbrica. La
pasarela remite la información recibida al servidor de
localización, el cual utilizará esta información, junto a la
disponible en el SIG (Sistema de Información Geográfica),
para calcular la posición actual del terminal (mediante un
mecanismo basado en redes neuronales) y mostrarla
gráficamente.
Diferenciación de los nodos. Los dispositivos en la red
pueden ser homogéneos o heterogéneos en sus capacidades:
tipos de sensores que incluyen, capacidad de cómputo,
restricción de energía, etc.
Escala y densidad. La escala de una red nos da una idea del
tamaño de la red (el número de nodos presentes en la misma y
su extensión), mientras que la densidad nos da una medida de
la robustez (tolerancia a fallos) de ésta: una alta densidad
indica que existen muchos nodos que pueden compensar los
fallos de nodos vecinos.
Modelos de entrega de datos. Entre los diferentes modelos,
tenemos el modelo de entrega por tiempo, donde los nodos
sensores envían información de forma periódica; el modelo de
entrega por la ocurrencia de algún suceso o evento, a partir del
cual los nodos envían la información; el modelo de consultas
directas a determinados nodos; también, se puede dar una
mezcla de todas los modelos mencionados.
Frecuencia y cantidad de datos. De la frecuencia y cantidad
de datos que envíen los sensores dependerá, en gran medida,
el tiempo de vida de su batería.
Estrategias de agregación/eliminación de los datos
transmitidos. Mediante las cuales se va a agregar y a eliminar
Fig.1 Escenario de aplicación
El protocolo de encaminamiento y la arquitectura de red
descritos en este artículo resuelven la comunicación entre el
sensor y la pasarela.
B. Selección de Tecnología
Los sensores se comunican mediante tecnología
inalámbrica basada en el estándar IEEE 802.15.4 [19]: esta
tecnología encaja perfectamente en el desarrollo de este tipo
de aplicaciones que no necesitan obtener velocidades muy
altas (802.15.4 alcanza una tasa máxima de 250Kbps en la
banda de frecuencias 2’4GHz), si no que lo más importantes
que
aporta es bajo consumo, gran fiabilidad en las
comunicaciones y bajo coste de los sensores. Los equipos
utilizados son modelos ND02 y ND07 desarrollados por Nlaza
356
Soluciones [20] y basados en tecnología Freescale
Semiconductor [21].
La solución de encaminamiento (capa de red) ha sido
implementada desde cero, para ello se ha utilizado el lenguaje
C de programación bajo el entorno de desarrollo CodeWarrior
de Freescale Semiconductor, y se han utilizando las librerías
de este mismo fabricante que implementan las capas físicas y
MAC del estándar IEEE 802.15.4.
C. Arquitectura de red
1) Dispositivos
En los siguientes puntos se describe la funcionalidad
básica de cada dispositivo presente en el escenario:
Terminales de Usuario (TU): Se trata de dispositivos
alimentados con baterías que son transportados por los
pacientes a monitorizar. Envían periódicamente la
información necesaria para la localización del mismo, la cual
es obtenida de los puntos de localización (PLs). Durante los
periodos inactivos, el dispositivo entra en un modo de baja
consumo lo que le permite ahorrar batería.
Puntos de Distribución (PD): Se trata de terminales
inalámbricos desplegados a lo largo de la planta del edificio y
situados en posiciones fijas. Estos terminales actúan de
intermediarios entre los terminales de usuario y la pasarela de
interconexión a la red cableada. Ejecutan tareas de
encaminamiento. Al permanecer estáticos, dichos equipos
están alimentados mediante conexión a la red eléctrica.
Pasarela de Acceso (Gateway, GW): Se trata de un equipo
que facilita la comunicación entre la información recibida de
los puntos de distribución (red inalámbrica) y la red cableada
donde residen los distintos servidores del sistema: actúa como
nodo sink de la red de sensores. Dispone de dos tipos de
conexiones de red: IEEE 802.15.4 y IEEE 802.3 (Ethernet).
Puntos de Localización (PL): Similares a los PDs (posición
fija y alimentados mediante conexión a la red eléctrica), son
elementos pasivos: su única función es enviar tramas balizas
802.15.4 de forma periódica en un canal determinado. Las
balizas incluyen su identificador unívoco. Las balizas
enviadas serán recogidas por los TUs. Los PLs se dividen en
4 canales diferentes de transmisión, que a su vez son
diferentes del canal utilizado por los PDs (encaminamiento).
Gestor del Sistema (servidores): Se trata de los equipos con
conexión Ethernet donde se ejecutan el algoritmo de
localización, mantenimiento de la base de datos SIG,
integración con la información de los usuarios (historial
médico, ficha del paciente, etc.), gestión de red, etc.
2) Tipos de redes
Según se puede apreciar en la Fig.2, en el escenario
conviven tres tipos de redes diferentes.
WPAN (Wireless Pan Area Network): Está formada por un
punto de distribución y los terminales de usuario, que en un
IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 9, NO. 3, JUNE 2011
momento determinado, se encuentra en su área de cobertura.
La topología que presenta este tipo de redes es en estrella.
WAcN (Wireless Access Network): Está formada por una
pasarela de acceso y los puntos de distribución asociados a
ésta. La topología de cada una de estas redes es mallada: los
puntos de distribución que no tiene un enlace directo con la
pasarela de acceso, deberán encaminar sus paquetes a través
de alguno de sus vecinos. La longitud máxima de ruta dentro
de una WAcN es de 5 nodos.
LAN (Local Area Network). Esta red de área local, esta
formada por las conexiones Ethernet de todas las pasarelas
con el Gestor del Sistema (servidores).
D. Protocolo de encaminamiento
1) Características del protocolo
La tabla III analiza los parámetros de diseño del protocolo.
Teniendo en cuenta todos estos parámetros el protocolo de
encaminamiento será:
Dinámico. Al tratarse de un despliegue aleatorio de los nodos
TABLA III
PARÁMETROS DE DISEÑO PARA EL PROTOCOLO DE ENCAMINAMIENTO
Parámetro
Valor
Despliegue
Aleatorio
Movilidad
TUs
Diferenciación nodos
Sí (heterogeneidad):
- GW y PDs: No limitación
energética. No movilidad.
- TUs: Limitación Energética.
Movilidad.
Escala
Baja: distancia máxima entre cualquier
TU y el GW=5 saltos.
Densidad
Normal (varios vecinos)
Modelo de entrega de datos
Periódica
Frecuencia/Cantidad datos
Frecuencia baja (segundos), cantidad
baja (máximo 31 bytes).
Agregación de datos y/o QoS
No requeridas
de la red, es necesaria una solución de encaminamiento que
sea dinámica (no rutas estáticas).
Basado en fuente. Como el tamaño de la red no va a ser muy
grande (el tamaño de ruta máximo es igual a 5 saltos), se
decide adoptar encaminamiento basado en fuente (al igual que
DSR), ya que permite simplificar en gran medida el diseño e
implementación de la misma.
Basado en cluster. En la arquitectura de red existen dos tipos
de equipos: unos de posición fija y sin restricciones
energéticas, y otros móviles alimentados a baterías. Así que la
solución adoptada es jerárquica (basada en cluster), de tal
forma que la responsabilidad del descubrimiento y
mantenimiento de las rutas hacia la pasarela reside totalmente
en los puntos de distribución (que tienen más recursos
HIDALGO LÓPEZ AND MORENO NOVELLA : DESIGN OF A ROUTING SOLUTION
Fig.2. Tipos de redes
energéticos), minimizando la implicación de los terminales de
usuario, de modo que se reduce su consumo permitiendo
alargar la vida de sus baterías.
Proactivo. Debido a que la funcionalidad de encaminamiento
va a residir en equipos cuya posición es fija y que solamente
es necesario descubrir rutas hacia la pasarela, se decide que
las rutas sean calculadas a priori y se mantengan actualizadas
(refresco de ruta periódico). Se obtiene el beneficio de la
principal ventaja de estos protocolos: latencia mínima de
envío en el primer mensaje de datos.
Multicamino. Debido a que la densidad de la red permite
pensar que cada nodo tendrá más de un vecino, para mejorar
la tolerancia ante fallos se almacena una ruta secundaria, que
es utilizada en caso de caída de la ruta principal.
2) Funcionamiento
Por sencillez, en este apartado la pasarela y los puntos de
distribución implicados en la transmisión de un paquete serán
referenciados en algunas situaciones simplemente como
nodos.
Descubrimiento de rutas. Este mecanismo se ejecuta cuando
el punto de distribución se conecta a la WAcN, lo que facilita
la escalabilidad y el mantenimiento e instalación de la red, ya
que para la instalación de un nuevo punto de distribución,
solamente habría que fijarlo en su posición y encenderlo.
Previamente, el punto de distribución debe tener configurado
su identificador (unívoco) y el identificador correspondiente a
la pasarela que encaminará sus paquetes hacia el gestor del
sistema.
El inicio del proceso de descubrimiento consiste en el envío
de un paquete de petición de ruta RREQ (Route Request) en
modo broadcast. Cada nodo reenviará el paquete recibido,
quedando marcada en el mismo el camino seguido. Cuando
dicho paquete alcanza el destino, la pasarela, o un PD que
conozca una ruta hacia él, enviará un paquete unicast de
respuesta RREP (Route Response), que incluye la ruta al
destino, al nodo que lanzó el descubrimiento de ruta. El
mecanismo de aprendizaje incluye algoritmos para eliminar
posibles bucles que se dieran en la transmisión.
A la vez que un PD inicia un proceso de descubrimiento de
rutas, activa un temporizador de “espera de RREP”. Si vence
éste y la tabla de rutas está vacía, vuelve a lanzar un nuevo
proceso de descubrimiento de rutas (nuevo envío de RREQ).
Almacenamiento de rutas. Después del proceso de
descubrimiento de ruta, el punto de distribución conoce al
menos una ruta para comunicarse con la pasarela. El PD
almacenará la primera ruta recibida como ruta principal, así
como una ruta alternativa o secundaria, si se recibe, por
cuestiones de redundancia.
Cuando expire el tiempo de vida de la ruta principal (TTL,
Time To Live), ésta es marcada ruta como inactiva y se
iniciará un proceso de refresco de dicha ruta: se envía un
paquete RREQ unicast, con destino la pasarela, a través de la
ruta a refrescar. La pasarela al recibirlo, responderá con un
RREP de vuelta. Si se recibe un RREP de esa ruta antes que
expire el temporizador de espera de respuesta, se marca la
ruta de nuevo como activa. En cambio, si vence éste y no se
ha recibido contestación alguna, se borra la ruta principal y
después pueden darse una de las siguientes situaciones:
• Que no hubiera una ruta secundaria almacenada: se envía
un paquete para el descubrimiento de una nueva ruta (un
RREQ de forma broadcast).
• Que hubiera una ruta secundaria almacenada: en este
caso, ésta pasa a ser la principal y se procede a intentar
refrescarla. Si no se puede refrescar, se borra y se procede
a descubrir una nueva ruta.
Mantenimiento de rutas. El mecanismo de mantenimiento de
rutas es el encargado de avisar si una ruta existente entre dos
nodos se rompe. Cuando se está transmitiendo, cada nodo es
el encargado de controlar el estado del tramo de ruta (enlace)
en el que se encuentra, es decir, verifica que el siguiente nodo
ha recibido la información enviada por él. Si durante la
transmisión de un paquete, se detecta que un enlace está caído,
el nodo que lo descubre lo notifica al nodo origen enviando de
357
358
regreso un paquete RERR (Route Error) a través de la ruta que
ha seguido el paquete hasta llegar a él, y en paralelo, si éste
nodo conoce una ruta alternativa (que no contenga al nodo
caído), enviará el paquete de datos a través de ésta. Los nodos
intermedios de la ruta al recibir el RERR, eliminarán las rutas
que contengan al nodo caído y en el caso de que algún nodo
borre todas sus rutas (tabla de rutas vacía), iniciará un nuevo
proceso de descubrimiento de ruta que incluya la información
del nodo caído: envía un RREQ broadcast que contiene el
identificador del nodo caído en el campo “nodo caído” de la
cabecera de nivel de red. De esta forma, el resto de nodos
vecinos detectarán la caída, borrarán de sus tablas de rutas
aquellas que contengan al nodo caído, y no responderán con
un RREP que contengan rutas no válidas (que incluyan al
nodo caído).
Encaminamiento. Una vez el TU ha enviado el paquete con la
información a un punto de distribución, éste tendrá que
enviarlo directamente a la pasarela si tiene comunicación
directa con ella, o tendrá que encaminarlo a uno de sus
vecinos (comunicación multisalto). Para ello añadirá al
paquete recibido por el TU, la ruta que ha de seguir hasta
llegar a la pasarela, y que previamente ha obtenido en la fase
de descubrimiento de rutas.
3) Prevención de tormentas
El hecho de que los nodos reenvían en modo broadcast un
RREQ recibido de un nodo vecino cuando no conoce una ruta
hacia la pasarela, puede dar lugar a tormentas de RREQ, es
decir, que el número de RREQ crezca de forma exponencial
en la red, dando lugar a un gasto de ancho de banda preciado
y a un posible aumento del número de colisiones. Para evitar
este problema se han tomado varias medidas:
Comprobación tamaño actual de ruta. Si un nodo tiene que
reenviar un RREQ, antes de llevar a cabo el reenvío
comprueba que al añadir su identificador de WPAN en la ruta
que ha seguido éste, queda espacio suficiente para que la
pasarela pueda añadir su identificador WPAN cuando lo
reciba y genere el RREP de vuelta. Hay que recordar que,
como se ha mencionado previamente, la longitud máxima de
ruta es de 5 saltos (concatenación de 5 identificadores de
WPAN), y que por tanto tiene un tamaño de 10 bytes.
De no haber dicho espacio, el RREQ es descartado. De esta
forma se evita reenviar RREQ inútiles.
Aprendizaje indirecto de ruta. Cuando un nodo ha de
encaminar un RREP destinado a otro, y este nodo
encaminador tiene alguna posición de su tabla de rutas vacía,
antes de reenviar el RREP al siguiente nodo, almacenará la
ruta contenida en el RREP: no almacena la ruta entera ya que
fue otro nodo quien originó el RREQ, y desde el cual empezó
a construirse la ruta; almacena únicamente la parte de la ruta
correspondiente al camino desde este nodo hasta la pasarela.
Al tener una nueva ruta redundante, se mejora la robustez
general del sistema, ya que se le ofrece a los nodos que, por
alguna razón, no hayan aprendido una ruta secundaria en su
proceso de descubrimiento de ruta, una nueva oportunidad de
hacerlo. Y de esta forma, en caso de fallo de la ruta principal,
habrá una nueva ruta disponible para ser utilizada, y con esto
IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 9, NO. 3, JUNE 2011
conseguimos reducir el número de procesos de
descubrimiento de rutas: el número de RREQ broadcast
transmitidos en la red.
Separación de WAcNs. Al trabajar con enlaces radio podría
darse la circunstancia de que un punto de distribución reciba
una petición de descubrimiento de ruta hacia una pasarela que
no es la pasarela de su WAcN. Esto significa que la petición
ha sido emitida por un nodo de otra WAcN (p. ej. situado en
un piso superior o inferior dentro del edificio), por lo que
descarta el RREQ recibido.
V. VALIDACIÓN DE LA SOLUCIÓN
Para comprobar las condiciones de escalabilidad y robustez
de la solución dentro del escenario de aplicación para el que
se ha desarrollado, se lleva a cabo un análisis empírico de la
misma. Se plantean escenarios con distintos números de
terminales de usuario, de 5 a 15, y distintas tasas de inyección
de tráfico de usuario a la red (cantidad acumulada tráfico que
envía a la red el conjunto de terminales de usuario presente en
el sistema), y se busca medir la adaptabilidad de la solución en
cada uno de estos. Los parámetros de medida utilizados son:
• Retardo introducido por cada nodo intermedio en la
transmisión de información desde el TU al GW.
• Porcentaje de paquetes perdidos.
• Porcentaje de paquetes duplicados (paquetes que
llegan duplicados al GW).
Los resultados obtenidos demuestran que la solución es
escalable y robusta en términos de:
• Retardo introducido por nodo intermedio: constante
(aprox. 6ms) a lo largo de los distintos escenarios.
• Porcentaje de paquetes perdidos y duplicados: los
valores se han mantenido bajos (tabla IV).
TABLA IV
PORCENTAJE DE PAQUETES PERDIDOS Y PAQUETES DUPLICADOS
Nº TUs
Tasa de tráfico (bps)
% Paq.
% Paq.
Perdidos
Duplicados
5
48
0
0,39
72
0
0
96
0
0
144
0
0
10
96
0
1,13
144
0
0,52
192
0
0,09
288
0
0,09
15
144
0
0,16
216
0
0,05
288
0,31
0,10
432
0,42
0,31
VI. CONCLUSIONES
En este artículo se han estudiado las redes de sensores
inalámbricas (Wireless Sensor Networks, WSNs) desde el
punto de vista del encaminamiento. Se ha visto como las
características propias de este tipo de redes hacen que sea
necesario protocolos de encaminamiento específicos para este
tipo de redes, y que además, el hecho de que sean redes
específicas de aplicación (los requisitos de diseño de la red
cambian con la aplicación para la que se diseñan) hace que no
HIDALGO LÓPEZ AND MORENO NOVELLA : DESIGN OF A ROUTING SOLUTION
sea factible que se alcance una técnica de encaminamiento
universal. Debido a esto, se han propuestos diversos
parámetros para el diseño o elección de un protocolo de
encaminamiento para una red de sensores en base a su
escenario concreto de aplicación.
Además, se ha presentado una solución de encaminamiento,
que ha sido diseñada e implementada, para una aplicación de
telemedida dentro de entornos socio-sanitarios, cuya finalidad
es la monitorización de pacientes dentro de interiores. En
dicha solución se han tenido en cuenta los parámetros de
diseño anteriormente presentados. Destacar que si bien la
solución se ha aplicado a entornos socio-sanitarios, el
escenario aplica a la mayoría de entornos de telemedida donde
se realiza el envío periódico de los parámetros a medir a un
punto central.
Asimismo, se han expuesto un resumen de los resultados
obtenidos durante el proceso de validación de la solución de
encaminamiento, en los que se ha visto que la solución
desarrollada es escalable y robusta dentro de su escenario de
aplicación.
REFERENCIAS
[1]
P. Baronti, P. Pillai, V.W.C. Chook, S. Chessa, A. Gotta, Y. Fun Hu,
“Wireless sensor networks: A survey on the state of the art and the
802.15.4 and ZigBee standards”. Computer Communications magazine,
diciembre 2006, pp. 1655-1695.
[2] E. Callaway, P. Gorday, L. Hester, J.A. Gutierrez, M.Naeve, B. Heile, V.
Bahl, “Home Networking with IEEE 802.15.4: A developing standard
for low rate wireless personal area networks”. IEEE Communications
magazine, agosto 2002, pp.. 70-77.
[3] V. Shnayder, B. Chen, K. Lorincz, Thaddeus R. F. Fulford J. y M.
Welsh, Sensor Networks for Medical Care, Technical Report TR-08-05,
Division
of
Engineering
and
Applied
Sciences,
Harvard
University,2005, ftp://ftp.deas.harvard.edu/techreports/tr-2005.html.
[4] P.Mohapatra, S. Krishnamurthy. “Ad Hoc Networks. Technologies &
Protocols”. Ed. Springer Science+Business Media, Inc., 2005.
[5] C. Perkins, P. Bhagwat. “Highly dynamic destination-sequenced
distance-vector routing (DSDV) for mobile computers”. ACM
SIGCOMM’94 Conference on Communications Architectures, Protocols
and Applications (1994), pp. 234–244.
[6] C. E. Perkins, E.M. Royer. “Ad hoc On-Demand Distance Vector
(AODV) Routing”. draft-perkins-manet-aodvbis-00.txt. Internet Draf
Octubre 2003.
[7] D. Johnson, D. Maltz, J. Broch. “DSR: The Dynamic Source Routing
Protocol for Multihop Wireless Ad Hoc Networks” draft-ietf-manet-dsr09.txt. Internet Draft. Abril 2003.
[8] J. N. Al-Karaki, A. E. Kamal. “Routing techniques in Wireless Sensor
Networks: A survey”. Wireless Communications magazine, volumen 11,
diciembre 2004.
[9] J. Kulik, W. R. Heinzelman, y H. Balakrishnan, "Negotiation-based
protocols for disseminating information in wireless sensor networks,"
Wireless Networks, Volumen: 8, pp. 169-185, 2002.
[10] C. Intanagonwiwat, R. Govindan, y D. Estrin, "Directed diffusion: a
scalable and robust communication paradigm for sensor networks,"
Proceedings of ACM MobiCom '00, Boston, MA, 2000, pp. 56-67.
[11] D. Braginsky and D. Estrin, “Rumor Routing Algorithm for Sensor
Networks” Proceedings of the First Workshop on Sensor Networks and
Applications (WSNA), Atlanta, GA, Octubre 2002.
[12] W. Heinzelman, A. Chandrakasan y H. Balakrishnan, "Energy-Efficient
Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks,"
Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System
Sciences (HICSS '00), Enero 2000.
[13] S. Lindsey, C. Raghavendra, “PEGASIS: Power-Efficient Gathering in
Sensor Information Systems”, IEEE Aerospace Conference Proceedings,
2002, Vol. 3, 9-16 pp. 1125-1130.
[14] Y. Xu, J. Heidemann, D. Estrin, “Geography-informed Energy
Conservation for Ad-hoc Routing,” Proceedings of the Seventh Annual
ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and
Networking 2001, pp. 70-84.
[15] Y. Yu, D. Estrin,, R. Govindan, “Geographical and Energy-Aware
Routing: A Recursive Data Dissemination Protocol for Wireless Sensor
Networks”, UCLA Computer Science Department Technical Report,
UCLA-CSD TR-01-0023, Mayo 2001.
[16] D. Chen, P. K. Varshney, “QoS Support in Wireless Sensor Networks:
A Survey”, International Conference on Wireless Networks (ICWN
2004), Las Vegas, Nevada, USA. Junio 2004.
[17] I. Lozano, R. Hidalgo, A. Cuevas, J..I. Moreno. “Mecanismos de
encaminamiento para redes de sensores inalámbricas. Aplicación a
entornos socio-sanitarios”. VI Jornadas de Ingeniería Telemática JITEL
Septiembre 2007. Málaga.
[18] Entorno de desarrollo y arquitectura software del sistema. Proyecto
LoRIS (Localización en Redes Inalámbricas para aplicaciones Sociosanitarias). Universidad Carlos III. Enero 2007 (Documento interno del
proyecto LoRIS).
[19] Especificación Estándar IEEE 802.15.4-2003.
[20] Nlaza Soluciones: http://www.nlaza.es
[21] Freescale Semiconductors: http://www.freescale.com
[22] W. Wallace, J.I. Moreno, R. Hidalgo, “Adding functionality to X10
networks with 802.15.4. Using 802.15.4 to communicate and add
functionality to X10 wired networks”. IFIP WG 6.2 Home Networking
Conference (IHN’2007), París, Francia. Diciembre, 2007.
[23] S. Silva, S. Motoyama, "Applications oriented medium access control
protocols for wireless sensor networks.", IEEE LATIN AMERICA
TRANSACTIONS, Vol. 7, No. 5, pp. 586-593, Sept. 2009.
Rubén Hidalgo López,
graduado en Ingeniería
Técnica de Telecomunicación: Telemática (2006) por
la Universidad Carlos III de Madrid, España, ha
finalizado
sus
estudios
de
Máster
Oficial
Interuniversitario en Ingeniería Telemática (2008) por
la Universidad Carlos III de Madrid y la Universidad
Politécnica de Cataluña, España. Desde 2006 realiza
labores investigadoras en el departamento de
Ingeniería Telemática de la Universidad Carlos III de
Madrid. Ha participado activamente en el proyecto
LoRIS (FIT-330211-2006-6) y ha publicado en congresos tanto a nivel
nacional como internacional.
Dr. Jose Ignacio Moreno Novella, es Ingeniero
(1991) y Doctor Ingeniero de Telecomunicación
(1996) por la Universidad Politécnica de Madrid.
Desde 1997 desempeña el cargo de profesor Titular
de Universidad en la Universidad Carlos III de
Madrid donde realiza labores docentes e
investigadoras. Ha participado en numerosos
proyectos de investigación relacionados Sistemas
Telemáticos, Protocolos de Comunicaciones, Redes
de Banda Ancha, Ipv6, Soporte de calidad de
servicio, Multicast, Voz sobre IP, Protocolos de Comunicaciones para
sistemas móviles y Sistemas de 4G.
Posee amplia experiencia en la dirección y desarrollo de proyectos de
investigación nacionales e internacionales relacionados con el diseño, la
gestión e implantación de redes y servicios de telecomunicaciones,
participando en proyectos como: ENERSIP (FP7-ICT-247624), ECOCPD
(TSI-020302-2010-49), LOBIN (TSI-020302-2008-57), Emagerit (S0505/TIC/000251), CASERTEL-NGN (TSI2005-07306-C02-02),
LoRIS
(FIT-330211-2006-6), Daidalos (FP6-506997), SatNEx (FP6-507052), Moby
Dick (IST: 2000-25394), PISCIS (CICYT: 2FD97-1003-C03-02. Ha
publicado más de 80 artículos relacionados con comunicaciones avanzadas en
revistas y congresos nacionales e internacionales.
359