Protocolo de enrutamiento con énfasis en la eficiencia energética para redes inalámbricas de sensores de gran escala

Resumen

El rápido desarrollo de la tecnología de sensores electrónicos y micro-electromecánicos, junto a los avances en la tecnología inalámbrica han permitido que los sensores sean desplegados en grandes cantidades para poder formar redes inalámbricas destinadas a una gran variedad de aplicaciones. Estos sensores distribuidos y que forman una red, son también llamados nodos sensores y tienen la capacidad de reunir información del medio en el que se encuentran desplegados y transmitirla por el aire a través de toda la red hacia un nodo central o estación base donde pueda ser procesada e interpretada. Las redes inalámbricas de sensores tienen actualmente un amplio rango de aplicaciones como la monitorización del medio ambiente, de campos de batalla, o bien formando espacios inteligentes, sistemas de vigilancia o en aplicaciones de sistemas médicos para monitorización de salud. De forma general, pueden aplicarse en cualquier ambiente en el cual sea necesaria la medición de determinados parámetros para una específica aplicación sobre una determinada área. Los escenarios elegidos por lo general para estos despliegues, requieren de muchos nodos sensores, recolectando datos durante largos periodos de tiempo y, donde la pérdida de información, puede resultar crítica. Por ello, el consumo de energía en estas redes, definidas como redes de gran escala, se convierte en un factor clave para la vida de éstas. Para alargar precisamente la vida de las redes de gran escala, se utilizan nodos sensores de bajo coste y de limitados recursos que demanden una menor cantidad de energía para su funcionamiento, para que de esta forma logren durar más tiempo. Además, muchas de sus aplicaciones, están orientadas a la monitorización del entorno, y generalmente los nodos son desplegados en ambientes hostiles e inhóspitos donde la red debe permanecer funcionando de forma autónoma. Por ello, se establece una topología de tipo multi-salto, donde todos los nodos deberán organizarse entre ellos para la retransmisión de los datos recolectados hacia una estación base. En este tipo de redes, los nodos utilizan protocolos de comunicación específicos, definiendo rutas de múltiples saltos entre los nodos con dirección a la estación base. A tales protocolos se les denomina protocolos de enrutamiento y están orientados a la tarea de entregar datos recolectados por cada nodo de la red. Entre estos protocolos de enrutamiento se puede encontrar una considerable variedad según sus algoritmos de toma de decisiones, en donde además se tienen distintos parámetros o métricas en consideración. Dentro de este trabajo de investigación, después de describir brevemente las redes inalámbricas de sensores, con sus topologías y aplicaciones, se realiza un estudio del arte desde distintos puntos de vista: se analizan las plataformas utilizadas en las redes de sensores, sistemas operativos, simuladores y los principales protocolos de colección orientados a las redes de gran escala que se utilizan en la actualidad. Después de definir los objetivos del trabajo de investigación que intentan suplir las carencias detectadas en el estudio del estado del arte, se plantea el diseño de un protocolo de enrutamiento para redes de gran escala y su implementación iterativa, evaluada mediante simulaciones que permiten detectar puntos de mejora, los cuales son incorporados en la implementación final del protocolo. Posteriormente se procede a la validación mediante la simulación de esta implementación final en distintos escenarios, la cual será valorada en comparación con otros dos protocolos de enrutamiento seleccionados del estudio del estado del arte. Para todos ellos se realizarán simulaciones utilizando distintas redes con distintas capacidades de batería de los nodos, cuyos resultados se muestran y analizan en detalle. Por último, los resultados obtenidos en la validación, permitirán obtener las conclusiones de cara a los objetivos, así como la identificación de futuras líneas de trabajo.