Caracterización QoS redes sensores

Caracterización de calidad de servicio en
redes inalámbricas de sensores
Alumno de doctorado: Óscar Ortiz Ortiz.
Profesor director: Ana Belén García Hernando
José Fernán Martínez Ortega

Caracterización de calidad de servicio en redes inalámbricas de sensores
INDICE DE CONTENIDOS
1.- INTRODUCCION A LAS REDES INALAMBRICAS DE SENSORES............................... 1
2.- CONCEPTOS GENERALES SOBRE CALIDAD DE SERVICIO........................................ 5
3.- LA CALIDAD DE SERVICIO EN REDES INALAMBRICAS DE SENSORES
3.1.- Introducción...................................................................................................................... 11
3.2.- Arquitectura y diseño de una red inalámbrica de sensores.............................................. 13
4.- PROPUESTAS PARA PROPORCIONAR CALIDAD DE SERVICIO EN REDES
INALAMBRICAS DE SENSORES
4.1.- Introducción...................................................................................................................... 28
4.2.- Protocolos MAC............................................................................................................... 28
4.3.- Protocolos de Encaminamiento........................................................................................ 36
4.3.1.- Protocolos basados en la estructura de la red....................................................... 38
4.3.2.- Protocolos basados en el criterio de encaminamiento......................................... 50
4.4.- Protocolos de Transporte.................................................................................................. 56
5.- APLICACIONES CON REQUISITOS DE CALIDAD DE SERVICIO............................... 60
6.- PROPUESTA DE ENCAMINAMIENTO EN UNA RED INALAMBRICA DE
SENSORES ............................................................................................................................ 63
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.......................................................................................... 71

Introducción
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1.- INTRODUCCION A LAS REDES INALAMBRICAS DE SENSORES
Uno de los principales objetivos de las redes inalámbricas especializadas (ad hoc) es
el poder permitir a un grupo de nodos de la red la posibilidad de autoconfigurarse y mantener
la red de forma autónoma sin ninguna intromisión de un controlador central o algo similar.
Debido a esto, este tipo de redes pueden resultar útiles en situaciones donde se requiera
ofrecer rapidez en la respuesta a un determinado evento sobre escenarios en los que no se pueda
contar con una infraestructura de red fija, bien porque no exista (aplicaciones militares en
entornos de guerra, aplicaciones de teleasistencia médica en el hogar, etc.,) o bien porque esté
temporalmente fuera de servicio (atentados con el del 11 de Septiembre en Nueva York o el del
11 de Marzo en Madrid).
Un subconjunto importante dentro de este tipo de redes son las redes inalámbricas de
sensores. La peculiaridad de estas redes es la de proporcionar datos gestionables por equipos
informáticos a partir de la captación de parámetros distribuidos sobre el entorno físico. Están
formadas por un gran número de nodos sensores, también llamados motas, que integran, en su
forma básica, un sensor, memoria, procesador, electrónica de comunicaciones por radio y una
fuente de energía (por ejemplo, una batería).
Figura 1: Diagrama de bloques de un nodo sensor básico
Sensor Conversor
A/D
Unidad de Captación
Procesador Memoria
Unidad de Procesado
Electrónica de
comunicaciones
Transceptor
(antena)
Unidad de Transmisión
Fuente de Energía (Batería)

Introducción
O.Ortiz - 2 -
La falta de infraestructura en este tipo de redes, hace que cada nodo se configure, se
gestione y se controle de forma autónoma, jugando los roles adicionales de encaminador y
redirector de datos.
Precisamente, son estas tareas añadidas a los nodos, las que complican el diseño de
protocolos en este tipo de redes, haciendo que arquitecturas de comunicaciones clásicas
estratificadas en niveles funcionales claramente diferenciados (estilo OSI), no resulten las
más adecuadas para las redes inalámbricas de sensores.
Las arquitecturas de comunicaciones estratificadas en niveles sacrifican eficiencia por
generalidad, dado que la transparencia que un nivel ofrece a los otros hace que la cooperación
entre ellos sea inviable. Sin embargo, uno de los parámetros de diseño críticos en las redes
inalámbricas de sensores es la eficiencia energética, y éste es un aspecto nuevo que trasciende
a los niveles de protocolos tradicionales.
Las estrategias que se adopten para acceder al medio físico (protocolos MAC) afectan
directamente al consumo de energía, por ejemplo a través de las colisiones. Igualmente, con
las estrategias que sigan los niveles de encaminamiento y transporte. Si estos tres niveles
clásicos pudieran cooperar se podría optimizar el comportamiento de la red, en cuanto a
eficiencia energética se refiere, por ejemplo, si todos los niveles de la arquitectura estuvieran
al corriente en todo momento del remanente de energía de la que dispone el nodo, podrían
ajustar sus configuraciones con el fin de optimizar este recurso.
Esta reflexión pone de manifiesto la necesidad de tender hacia modelos arquitecturales
inter-capa o inter-nivel, en los haya una cooperación entre los distintos niveles de protocolos
con el fin de optimizar el rendimiento de la red y, por ende, la calidad en los servicios que
ofrece.
En la siguiente figura se muestra un ejemplo de arquitectura inter-capa, concretamente
la arquitectura Mobileman [Conti2004]. (©2004 IEEE), comparado con el modelo clásico.

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Figura 2: Arquitectura clásica vs. Arquitectura inter-capa
En estos nuevos modelos de arquitecturas, conceptos como la latencia, el rendimiento,
la sobrecarga, el retardo o la variación de éste, han de marcar las investigaciones en este área,
de forma que las aplicaciones en tiempo real en las que, por ejemplo, se requiera la
transmisión de audio y video, funcionen de una manera eficiente.
El estudio de todos estos parámetros que hacen que los nodos de una red se usen de
manera eficiente con el fin de obtener medidas del entorno de forma efectiva, es lo que se
engloba de forma genérica bajo el epígrafe de Calidad de Servicio (QoS).
El presente trabajo pretende ser un estudio general sobre los requisitos básicos que
deben proporcionar los protocolos con capacidad para ofrecer QoS dentro del marco de las
redes inalámbricas de sensores.
Las áreas finales de aplicación de este tipo de redes requerirán, de una u otra forma,
usar protocolos energéticamente eficientes y con capacidades para proporcionar QoS.
Physical
Data Link
Network
Transport
Middleware
Application
MAC and Physical
Network
Transport
Middleware
Application
Network
Status
Securityandcooperation
Energymanagement
Physical
Data Link
Network
Transport
Middleware
Application
Physical
Data Link
Network
Transport
Middleware
Application
MAC and Physical
Network
Transport
Middleware
Application
Network
Status
Network
Status
SecurityandcooperationSecurityandcooperation
EnergymanagementEnergymanagement

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Algunas de estas áreas pueden ser:
• Control medioambiental y mapeado de biodiversidad
• Edificios inteligentes.
• Gestión de catástrofes.
• Control de acceso a recintos y vigilancia.
• Medicina y salud.
• Teleasistencia.
Habrá aplicaciones en las que recibir los datos de forma fiable y en tiempo real sea
básico, como por ejemplo en el área de medicina y salud, y otras en las que prevalecerán la
fiabilidad de los datos sobre otros parámetros, como por ejemplo en el área de control de
acceso a recintos y vigilancia.
Para tener una visión más general de este tipo de redes, hay que tener en cuenta que,
además de la calidad de servicio, hay otra serie de características que la mayoría de las
aplicaciones comparten, tales como tolerancia a fallos, tiempo de vida de la red, escalabilidad
programabilidad o mantenibilidad.
Todas estas características hacen que las redes inalámbricas de sensores sean un caso
especial dentro de las redes inalámbricas, y que obligan a buscar mecanismos específicos para
poderlas ofrecer, como por ejemplo:
• Nuevas arquitecturas de comunicaciones inter-capa.
• Comunicaciones multisalto de nodo a nodo.
• Operaciones energéticamente eficientes.
• Autoconfiguración de forma autónoma.
• Colaboración entre nodos y procesado de datos dentro de la propia red.
• Funcionamiento centrado en la información (data centric) en vez de en su
procedencia (address centric).

Conceptos generales sobre Calidad de Servicio
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2.- CONCEPTOS GENERALES SOBRE CALIDAD DE SERVICIO
El término “Calidad de Servicio” tiene una amplia variedad de significados
dependiendo de la perspectiva de la que se trate. Por ejemplo, desde el punto de vista de una
aplicación o de un usuario final, la Calidad de Servicio será la que dicho usuario o aplicación
aprecie en un momento dado (e.j. “esta aplicación funciona muy bien”), sin preocuparse de
qué mecanismos concretos han sido necesarios para que “la aplicación funcione bien”. Sin
embargo desde el punto de vista de la red, la Calidad de Servicio puede ser una medida de la
calidad, en términos de parámetros o recursos óptimos, que la red ofrece al usuario o a la
aplicación.
Estas dos formas de ver la Calidad de Servicio se muestran en la siguiente figura:
Figura 3: Perspectivas de la calidad de servicio
Algunos organismos internacionales de normalización han dado diversas definiciones
del concepto “Calidad de Servicio”:
• Según la RFC-2386, la Calidad de Servicio se caracteriza como “un conjunto
de requisitos de servicio que se deben cumplir en el transporte de un flujo de
paquetes desde el origen a su destino”.
Aplicaciones / Usuarios
Red
Soporte
de
QoS
Requisitos
de
QoS

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• Según el estándar X.902 de la Unión Internacional de Telecomunicación (ITU)
la Calidad de Servicio es “Un conjunto de requisitos de calidad que
condicionan el comportamiento colectivo de uno o varios objetos”.
• El ATM Lexicon define la Calidad de Servicio como “Un termino que se
refiere a un conjunto de parámetros de rendimiento de ATM que caracterizan
el tráfico de una conexión virtual determinada”.
• En la RFC-1946 de la Internet Engineering Task Force (IETF) se establece que
“El surgimiento de la demanda de servicios de red de tiempo real ha hecho
necesario que la redes compartidas proporcionen unos servicios de entrega
deterministas. Estos servicios de entrega deterministas exigen que tanto la
aplicación origen como la infraestructura de red tengan capacidades de
petición, establecimiento, y aseguramiento de la entrega de datos.
Colectivamente estos servicios se refieren a la reserva de ancho de banda y
Calidad de Servicio”.
Según ha aparecido en alguna de las definiciones anteriores, un “flujo de paquetes” es
un conjunto de paquetes que van desde un origen a un destino, bien siguiendo todos la misma
ruta o bien por rutas diferentes, según se trate de un servicio orientado o no orientado a la
conexión. Cada flujo de paquetes tendrá una necesidades concretas de Calidad de Servicio,
que se podrán caracterizar por los siguientes parámetros:
1. Fiabilidad.
2. Retardo.
3. Fluctuación de Retardo (jitter).
4. Ancho de banda.
No hay una metodología concreta a seguir que nos proporcione una Calidad de Servicio
óptima para cada una de las aplicaciones, maximizando los parámetros anteriores. Más bien
hay una serie de métodos que se han venido usando a lo largo del tiempo y que combinan
diversas técnicas para conseguir una Calidad de Servicio adecuada.

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Alguna de estas técnicas se describe brevemente a continuación:
• Aprovisionamiento: Proporcionar suficiente capacidad de encaminamiento,
almacenamiento en buffer y ancho de banda para que los flujos de paquetes se
transmitan con facilidad. Es la solución más fácil, pero también la más cara, lo
que hace que no sea factible para la mayoría de las aplicaciones.
• Almacenamiento en buffer: Los flujos de paquetes pueden almacenarse en un
buffer del receptor, antes de que se entreguen a las aplicaciones finales. Esto no
afecta a la fiabilidad o al ancho de banda, puesto que los paquetes ya están en el
receptor, pero evidentemente incrementa el retardo. La ventaja de esta técnica es
que minimiza el jitter causado por congestiones en la red, por pérdidas de
sincronización o simplemente debido a las distintas rutas que hayan usado los
paquetes para llegar a su destino. Este parámetro es clave para aplicaciones que
requieran tiempo real, tales como audio o video bajo demanda o voz sobre IP
(VoIP).
• Modelado de tráfico: La técnica anterior no siempre es posible, por ejemplo en
aplicaciones de videoconferencia. Para ofrecer Calidad de Servicio a estas
aplicaciones, es necesario que el servidor (transmisor) ofrezca una tasa de
tráfico constante, es decir, que el tráfico se modere desde el transmisor y no
desde el receptor. Con esta técnica se consiguen dos cosas:
§ Se fuerza al tráfico entrante en la red a estructurarse según un
patrón de flujo específico.
§ Se supervisa dicho flujo se tráfico (traffic policing) para saber si
se ajusta en todo momento al patrón fijado.
El modelado de tráfico reduce la congestión en la red, parámetro crucial para las
aplicaciones en tiempo real.
Algunas técnicas simples de modelado de tráfico son: la técnica de cubeta con
goteo (leaky bucket) o su variante, la técnica de cubeta de tokens (token bucket).

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• Reserva de recursos: El uso efectivo de la técnica anterior implica de alguna
forma a obligar a que los paquetes pertenecientes a un flujo de datos sigan todos
la misma ruta, como si de un circuito virtual se tratase, ya que el envío a través
de encaminadores aleatorios dificulta la garantía de Calidad de Servicio.
Cuando un flujo de paquetes sigue una ruta específica, es posible reservar
recursos para él a lo largo de esa ruta y asegurarse así la capacidad necesaria
requerida. Se pueden reservar tres tipos de recursos:
§ Ancho de banda, para no sobrecargar ninguna línea de salida del
encaminador.
§ Espacio de buffer, para que el encaminador no descarte en
paquete por no poderlo almacenar antes de retransmitirlo.
§ Ciclos de CPU suficientes para que el encaminador sea capaz de
procesar el paquete en un tiempo determinado.
• Control de admisión: Aplicando adecuadamente las técnicas anteriores,
tendríamos un tráfico entrante, perteneciente a algún flujo de paquetes, bien
modelado, que seguiría una única ruta y con la posibilidad de ir reservando
recursos en los encaminadores intermedios. Cuando un flujo de estas
características llega a un encaminador, éste tiene que decidir si lo acepta (lo
admite) o lo rechaza, en base a su capacidad y a las reservas ya realizadas por
otros flujos.
Tomar esta decisión es complicado. Las aplicaciones deberían describir sus
flujos de una forma más exacta, ya que algunas aplicaciones pueden ser más
tolerantes que otras frente a incumplimientos de sus parámetros de calidad o
simplemente, algunas pueden estar dispuestas a negociarlos y otras no.
Normalmente, la aplicación genera una especificación de flujo que contiene los
parámetros de calidad que le gustaría utilizar. Conforme la especificación se
propague por la ruta, los encaminadores intermedios irán modificando los

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valores de los parámetros en base a su capacidad (siempre que sean valores que
signifiquen reducir el flujo), hasta que llega al otro extremo, momento en el que
se establecen los parámetros.
• Encaminamiento proporcional: Muchos de los algoritmos de encaminamiento
tienen como objetivo encontrar la mejor ruta hacia un destino y enviar a través
de ella todo el tráfico dirigido a él. Un sistema distinto de encaminamiento que
se ha propuesto para proporcionar una calidad de servicio más alta es dividir el
tráfico para un determinado destino a través de diversas rutas. Puesto que
generalmente los encaminadores no tienen un panorama completo del tráfico de
toda la red, la única forma factible de dividir el tráfico a través de múltiples
rutas es utilizar la información disponible localmente. Una forma simple de
realizar esto es dividir el tráfico en partes iguales o en proporción a la capacidad
de los enlaces salientes. Sin embargo, hay disponibles otros algoritmos más
refinados como el presentado en [Nelakuditi2002].
• Planificación de paquetes: Un encaminador que maneje varios flujos
simultáneamente no debería procesar los paquetes según el orden de llegada
(encolamiento FIFO), ya que si una fuente emite paquetes de forma masiva
monopoliza los recursos del encaminador en detrimento de la calidad de servicio
de los otros flujos. Para evitar esta situación, se han diseñado varios algoritmos
de planificación de paquetes:
§ Encolamiento justo (fair queueing): Intenta evitar la
monopolización del ancho de banda derivado de la situación
anterior. Para ello, en vez de usar una cola para todos los flujos,
usa varias colas separadas para cada línea de salida, una por
flujo. Por el puerto de salida se enviará un paquete de cada flujo
de forma circular (round robin). El problema de este algoritmo, a

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parte de necesitar mucha potencia de procesador para clasificar
los paquetes y gestionar las colas, es que debido a la política de
salida en round robin de los paquetes, los flujos que tengan los
paquetes de mayor tamaño obtendrán más ancho de banda que
los flujos que los tengan de menor tamaño. Para solucionar esto,
la exploración de las colas de salida se debería hacer byte a byte,
en lugar de paquete a paquete, con lo que todos los flujos
obtendrían la misma prioridad. Esto puede resultar un
inconveniente en algunas ocasiones, ya que nos podría interesar
en un momento dado dar más prioridad a un flujo procedente de
un servidor de video que a uno procedente de un servidor de
archivos. El siguiente algoritmo soluciona estas situaciones.
§ Encolamiento justo ponderado (weighted fair queueing): Mejora
el rendimiento de los flujos de paquetes pequeños (flujos de
video) frente a los flujos de paquetes grandes (transferencia de
archivos) y evita la monopolización del ancho de banda por un
solo flujo. Este algoritmo de encolamiento proporciona las
garantías de latencia necesarias para el tráfico de tiempo real y
multimedia sin afectar demasiado la latencia de los paquetes
grandes.
Todos estos métodos y técnicas presentados se usan normalmente en los modelos de
servicio de red tradicionales, tales como el Modelo de Servicios Integrados del IETF
(IntServ), el Modelo de Servicios Diferenciados del IETF (DiffServ), el Modelo de Servicio
del ATM Forum o el Modelo de Servicio para Redes Inalámbricas, entre otros. Sin embargo,
para las redes inalámbricas de sensores se han de tener en cuenta otros parámetros que
inciden directamente en la Calidad de Servicio que ofrecen estas redes.

La Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores
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3.- LA CALIDAD DE SERVICIO EN REDES INALAMBRICAS DE SENSORES
3.1.- Introducción
La particularidad de las redes inalámbricas de sensores frente a otro tipo de redes
inalámbricas es que deben interactuar con su entorno, esto hace que, aunque encuentren las
mismas limitaciones sobre la calidad de servicio que otras redes convencionales, tengan las
suyas propias. Algunas de estas limitaciones a las que una red inalámbrica de sensores tiene
que hacer frente para poder proporcionar una determinada calidad de servicio se describen a
continuación:
• Alta restricción de recursos en los nodos: Recursos como el ancho de banda,
la memoria, el tamaño de los buffers, la capacidad de procesamiento, la potencia
de transmisión y sobre todo la energía están muy limitados en los nodos,
haciendo que cualquier mecanismo de calidad de servicio que se implemente en
estas redes ha de ser simple.
§ Limitación de ancho de banda: Se debe encontrar un
compromiso entre el ancho de banda que se dedica a tráfico de
tiempo real, con limitaciones de calidad de servicio, y el que se
dedica a tráfico genérico.
§ Energía y balance de retardos: Para optimizar la potencia de
transmisión en la interfaz radio, el encaminamiento de paquetes
se debe hacer salto a salto entre los nodos (encaminamiento
multi-salto), ya que la energía consumida es proporcional a la
distancia que se pretende alcanzar. Lógicamente, este tipo de
encaminamiento incrementa el retardo total, siendo éste
proporcional al número de saltos. Por lo tanto, en este aspecto,
también se ha de encontrar un compromiso entre la energía
consumida y el retardo permitido.

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§ Límite del tamaño de buffer: El encaminamiento multi-salto se
basa en el almacenamiento y reenvío (store and forward) de
paquetes en los nodos intermedios. El cambio que tiene que
realizar el nodo entre los modos transmisión/recepción en su
interfaz consume una cantidad de energía nada despreciable
[Min2001], por lo que poder contar con un buffer suficiente para
almacenar varios paquetes antes de retransmitirlos puede mejorar
bastante en consumo de energía. Nuevamente, se ha de encontrar
un compromiso entre el consumo energético y el tamaño de
buffer del que dotamos al nodo.
Como podemos observar, siempre nos encontraremos en el dilema de tener que
decidir entre mejorar o empeorar unos parámetros u otros, en base a los criterios
de calidad de servicio que quiera ofrecer la red.
• Tráfico no balanceado: No todos los nodos soportan y tratan la misma cantidad
de tráfico. Normalmente habrá una gran cantidad de nodos genéricos enviando
tráfico hacia un conjunto reducido de nodos, llamados nodos sumidero.
• Redundancia de datos: En este tipo de redes se observa que muchos de los
datos que se transmiten por ellas son redundantes o prácticamente iguales, cosa
que da fiabilidad y robustez a la red, pero que produce en muchas ocasiones un
gasto innecesario de energía. Para minimizar este efecto se usan técnicas de
agregación selectiva de datos en los nodos de una cierta área, ya que la
probabilidad de que esos datos sean similares es muy alta. Con esta técnica,
aunque complica computacionalmente el nodo, y por ende, energéticamente,
permite mantener la robustez de la red y decrementar la redundancia en los
datos. Sin embargo, a efectos de mantener la calidad de servicio, se ha de tener
en cuenta que este tipo de técnicas aumentaran la latencia.

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• Dinámicas en la red, debido a fallos en los nodos, en los enlaces, etc.
• Balance de energía entre todos los nodos de la red, de forma que la energía de
un nodo o de un pequeño grupo de ellos, no se agote demasiado pronto.
• Escalabilidad: Estas redes pueden contener cientos o miles de sensores, por lo
que la calidad de servicio se debería mantener aunque el número de nodos, o su
densidad, aumente.
• Múltiples nodos sumideros, que cada cual impondrá unos requisitos diferentes
en la red.
• Múltiples tipos de tráfico: Algunas aplicaciones necesitarán capturar datos
procedentes de distintos tipos de sensores (temperatura, presión, humedad, etc.),
se encuentren o no en el mismo nodo. Las lecturas generadas por estos sensores
pueden tener diferentes características de calidad de servicio.
• Paquetes críticos: Algunos mecanismos de calidad de servicio pueden necesitar
el diferenciar unos paquetes de otros, en base a su importancia o a una estructura
de prioridades.
3.2.- Arquitectura y diseño de una red inalámbrica de sensores
Una vez vistos los problemas específicos a los que se enfrentan este tipo de redes
para proporcionar calidad de servicio, vamos a estudiar un poco más en detalle cómo es el
despliegue de estas redes, qué arquitecturas se suelen formar y qué cuestiones de diseño se
tienen en cuenta en ellas.
Figura 4: Aspecto físico de un nodo sensor o mota

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• Escenarios de redes
Los dos elementos básicos que constituyen una red inalámbrica de sensores
son las fuentes y los sumideros. Una fuente, normalmente un nodo sensor o mota,
proporciona información al sumidero. El sumidero puede ser otro nodo sensor
integrado en la red cumpliendo esa función específica, o bien un dispositivo
externo que interactúe con ellos, o incluso una pasarela hacia otra red distinta. La
siguiente figura muestra estas situaciones.
Figura 5: Tipos de sumideros
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Fuente
Sumidero
Nodo
Nodo
Nodo
Fuente
Sumidero
Nodo
Nodo
Nodo
Fuente
Sumidero
Internet

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El problema está en que hay ocasiones en que la fuente no puede alcanzar
directamente al sumidero, por ejemplo, porque no exista “visión directa” debido a
algún obstáculo. Para solucionar este problema se utiliza encaminamiento multi-
salto, que como ya hemos visto, optimiza además el consumo energético.
Figura 6: Comunicación multisalto
Y para cubrir todas las posibilidades, se debe tener en cuenta que en muchas
ocasiones contamos con múltiples fuentes y múltiples sumideros, donde en el
caso más complejo, múltiples fuentes deben enviar información a múltiples
sumideros, y toda o parte de la información tiene que alcanzar a todos o a algunos
de los sumideros.
Nodo
Nodo Nodo
Nodo
Fuente Sumidero
Obstáculo

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Figura 7: Múltiples fuentes
Figura 8: Múltiples sumideros
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo

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Figura 9: Múltiples fuentes y múltiples sumideros
En los escenarios presentados hasta ahora, todos los componentes que integran
la red (fuentes y sumideros) son estáticos. Pero si algo caracteriza a cualquier red
inalámbrica, es precisamente la movilidad. En las redes inalámbricas de sensores
podemos encontrar tres tipos de movilidad y los protocolos de comunicación que
se usen en ellas deben soportarlas:
§ Movilidad de los nodos. Típica en aplicaciones de localización, por
ejemplo, seguimiento de ganado. La red debe organizase con la
frecuencia suficiente para mantener un nivel de funcionalidad
adecuado.
§ Movilidad de los sumideros. Típica en aplicaciones en las que un
usuario móvil solicita datos de red desde una PDA o dispositivo
similar. La red debe asegurar que los datos solicitados sigan y
alcancen al sumidero, a pesar de sus movimientos.
§ Movilidad de los eventos. Típica en aplicaciones de seguimiento de
objetos. La red debe asegurar que el evento que produzca el objeto
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo

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a seguir será cubierto por un número suficiente de sensores durante
todo su recorrido.
• Dinámicas de red
Tal y como hemos visto, tanto las fuentes como los sumideros y como los
eventos monitorizados pueden ser estáticos o dinámicos. Cuando el objetivo de
una red es la monitorización de eventos estáticos, como la prevención de
incendios, por ejemplo, ésta puede trabajar en modo reactivo, generando tráfico
única y exclusivamente cuando el evento monitorizado se produzca. En este modo
de funcionamiento se pueden establecer rutas de encaminamiento bien definidas y
optimizadas. Sin embargo, cuando los eventos son dinámicos, como en la
detección y seguimiento de un objetivo, la red de funcionar en modo activo,
informando periódicamente sobre él, generando bastante más tráfico que en la
situación anterior y haciendo peligrar la estabilidad de las rutas, asi como otros
parámetros, que como hemos visto, afectan a la calidad de servicio, como el
factor energético o el ancho de banda.
• Despliegue de nodos
El despliegue topológico, o topográfico, de los nodos va a afectar directamente
al protocolo de encaminamiento usado, y normalmente dependerá de la
aplicación. El despliegue se puede hacer de una forma determinista, aleatoria o
mixta.
Un despliegue determinista implica conocer la posición de las fuentes y de los
sumideros que constituyan la red, por lo que supondrá un emplazamiento manual
de los mismos. La ventaja es que las rutas de encaminamiento pueden estar bien
definidas y el uso de un protocolo adecuado de acceso al medio puede minimizar
las colisiones entre transmisiones.
Por el contrario, en un despliegue aleatorio o auto-organizado, los nodos se
diseminan de forma aleatoria creando topologías de red Ad-Hoc, no previsibles a

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priori. En este tipo de despliegue la posición donde hayan quedado los sumideros
es crítica para la eficiencia energética y el rendimiento de la red.
Debido a esta última reflexión, se podría hacer un despliegue mixto en el que
las fuentes se distribuyan de forma aleatoria y los sumideros de forma
determinista, es decir, una vez vista cual ha sido la auto-organización de las
fuentes, situar manualmente los sumideros en los lugares más idóneos a efectos
de encaminamiento, energía y rendimiento.
• Comunicación entre nodos
Durante la creación de una infraestructura de red, el establecimiento de rutas
de encaminamiento se ve directamente influido por el despliegue de nodos y por
las consideraciones energéticas que se deban tener en cuenta. Un encaminamiento
multi-salto puede llegar a consumir menos energía que un encaminamiento
directo, aunque aumente la latencia y sobrecargue la gestión de la topología y el
control de acceso al medio. Por el contrario, un encaminamiento directo puede
ofrecer mejores resultados cuando las fuentes están próximas al sumidero, el
problema es que normalmente en un despliegue aleatorio aparecen obstáculos
entre las fuentes y los sumideros, haciendo inviable el uso de encaminamiento
multi-salto.
• Modelos de envío de datos hacia el sumidero
Los protocolos de encaminamiento y de control de acceso al medio se van a
ver influidos por el modelo de envío de datos que se use, ya que están
directamente relacionados con el consumo de energía y la estabilidad de las rutas.
Dependiendo de la aplicación para la que se haya previsto la red de sensores,
podemos encontrar varias formas en las que la fuente envía datos al sumidero:
§ Modelo de envío continuo. Las fuentes envían datos continuamente
al sumidero con una tasa de transmisión preestablecida. Se suele
usar para enviar voz, imágenes o video en tiempo real, o en

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aquellas aplicaciones en las que al sumidero le pueda interesar
almacenar datos periódicos de las medidas tomadas por los
sensores.
Este modelo combinado con una técnica de acceso al medio por
división en el tiempo puede conseguir un ahorro bastante
significativo de energía [Younis2003].
§ Modelo de envío event-driven. Las fuentes envían datos al
sumidero cuando se produce un evento. El evento, normalmente,
no será detectado por un único sensor sino por un conjunto de ellos,
que enviarán varios flujos de datos casi iguales hacia el sumidero,
por lo que la redundancia será bastante alta. Además, el tráfico que
se genera puede ser a ráfagas debido a un evento común. Las
acciones de respuesta al evento detectado deben ser distribuidas de
la forma más rápida y fiable posible y probablemente a otros
sensores y actuadores distintos de los que detectaron el evento.
Este modelo se suele usar en la mayor parte de las aplicaciones que
requieran detección de eventos, de tiempo real y, normalmente, de
misiones críticas, como por ejemplo la detección de una
emergencia debido a un escape químico.
Figura 10: Modelo de envío event-driven
Evento
Sumidero

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§ Modelo de envío query-driven. Es similar al anterior con la
diferencia de que en este modelo los datos son sondeados por el
sumidero en vez de puestos en él. Las peticiones pueden enviarse
bajo demanda, por lo que este modelo resulta también muy útil para
realizar operaciones de gestión y reconfiguración de los nodos
sensores. Igual que en el modelo anterior, las acciones de respuesta
al evento detectado deben ser distribuidas de la forma más rápida y
fiable.
Este modelo se suele usar en aplicaciones tolerantes a retardos.
§ Modelo de envío híbrido. En muchas aplicaciones los modelos de
envío vistos anteriormente coexisten en una misma red. En estos
casos se requerirán mecanismos para ajustar diferentes tipos de
parámetros de calidad de servicio para el tráfico existente.
MODELO DE ENVIO
CARACTERISTICA Event-driven Query-driven Continuo
Punto a punto No No No
Interactividad Si Si No
Tolerancia a retardos No Depende de la aplicación Si
Criticidad Si Si Si
Tabla 1: Modelos de envío de datos
• Capacidad de los nodos
Cada nodo dentro de una red puede tener capacidades computacionales, de
comunicación o de potencia distintas. Normalmente, y dependiendo de la
aplicación, un nodo puede estar dedicado al reenvío de datos, a la detección de
eventos o a la agregación de datos. Hacer que estas tres capacidades coexistan en
un solo nodo puede conllevar unos costes de energía prohibitivos. La mayoría de
los protocolos jerárquicos que se han propuesto, designan en un área un nodo más

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potente que los demás (cluster-head) en términos de energía, ancho de banda y
potencia, que será el encargado de la agregación de datos y de la transmisión de
los mismos hacia el sumidero [Subramanian2000] [Younis2002].
• Procesado “en red”
En una red distribuida los nodos, además de cumplir con su misión específica,
pueden estar involucrados en el funcionamiento de la propia red, pudiendo
realizar funciones de procesado de información sobre los datos que están siendo
transportados por ella.
Este procesado “en red” de la información es actualmente un principio de
diseño esencial en este tipo de redes. Ya existen varias técnicas, aunque este
campo sigue abierto a nuevas propuestas. Analizaremos dos de ellas: la
agregación de datos y la codificación distribuida de la fuente.
§ Agregación de datos. No siempre es necesario transportar todas las
lecturas de los nodos sensores al sumidero, por ejemplo en el caso
en el que la información relevante sea un valor medio o una
diferencia entre dos valores. En este caso, un nodo intermedio
puede agregar o condensar varias medidas de varios sensores en un
nuevo dato, que será el que se transmitirá. El coste de
procesamiento de ese conjunto de datos compensa el coste
energético de haberlos transmitido de forma individual.
La dificultad de esta técnica reside en la elección del nodo en el
que realizar la agregación, de cuanto tiempo se deben esperar los
datos a agregar y que impacto produciría la pérdida de paquetes.
En las siguientes figuras se puede ver como en la de la izquierda,
sin usar agregación y con encaminamiento multi-salto, viajan por
la red 13 paquetes de datos y en la de la derecha, que sí usa
agregación, sólo viajarían 6 paquetes.

O.Ortiz - 23 -
Figura 11: Agregación de datos
§ Codificación distribuida de la fuente. La técnica anterior, condensa
y sacrifica información para no tener que transmitir todos los bits
de datos desde todas las fuentes al sumidero. Sin embargo, otra
forma de conseguir esto sin tener que sacrificar datos, es haciendo
una codificación y una compresión de datos previa en el nodo, tal y
como se hace en las redes convencionales cuando, por ejemplo, se
quiere transmitir una secuencia de video. La particularidad en estas
redes es que habría que codificar la información procedente de
varios sensores y con técnicas de codificación y compresión más
ligeras, computacionalmente hablando, que las que se usan
tradicionalmente en otras redes. Además, se ha de tener en cuenta
que las lecturas que proporcionen dos nodos adyacentes serán muy
similares, o lo que es lo mismo, su coeficiente de correlación estará
muy próximo a 1. Ya hay propuestas teóricas que inciden en el
estudio de la correlación de datos entre sensores, como por ejemplo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
1
1
1
1
3
6
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
1
1
1
1
1
1

O.Ortiz - 24 -
el teorema propuesto por Slepian y Wolf [Slepian1973], que lleva
su nombre.
• Centricidad de datos
En las redes tradicionales una comunicación viene determinada por un
transmisor y un receptor, identificados cada uno por su dirección. En las redes
inalámbricas de sensores no tiene tanta importancia el nodo en particular sino la
información que es enviada a través de la red. Hay que tener en cuenta que en este
tipo de redes un evento puede ser detectado de forma simultanea por varios nodos
y a la aplicación le interesará la información del evento no la identidad de los
nodos que lo detectaron. Por lo tanto, lo que tenemos es un tipo de
direccionamiento centrado en la información (data-centric) y no en los nodos que
la producen.
El paradigma de direccionamiento data-centric ofrece desvinculación de
identificadores (no es necesario distinguir entre comunicaciones punto a punto,
punto a multipunto, etc.) y desvinculación de tiempo (no se especifica cuándo se
generará una respuesta a los datos solicitados), además de mejorar el rendimiento
y la eficiencia energética, haciendo a su vez que las redes sean más escalables.
Existen varias formas de implementar una red data-centric, proporcionando
toda una serie de interfaces que las aplicaciones usarían. Las más importantes son:
§ Redes solapadas y tablas hash distribuidas. Solución basada en las
redes peer-to-peer en las que se forma una red superpuesta
implementando una “tabla hash distribuida” [Weiser1993,
Stoica2001]. Los datos deseados pueden ser identificados por
medio de una clave determinada (una hash) y la “tabla hash
distribuida”, proporcionando una o varias fuentes para los datos
asociados a esa clave.
§ Paradigma publicador/suscriptor. Cualquier nodo interesado en
recibir unos datos determinados puede suscribirse a ellos. Además,

O.Ortiz - 25 -
cualquier nodo puede publicar datos junto con sus tipos. Todos los
suscriptores a un determinado tipo de datos se les notificará la
aparición de nuevos datos si algún nodo los ha publicado.
La suscripción y la publicación pueden ocurrir en instantes de
tiempo distintos y sus identidades no tendrán que ser conocidas por
ninguna de las dos partes.
§ Base de datos. La red de sensores se considera como una base de
datos dinámica a la que se le formulan solicitudes [Fung2002,
Imielinski1999]. Una propuesta para realizar consultas a la red
inalámbrica de sensores es utilizar un lenguaje basado en SQL
[Madden2002].
• Calidad de servicio
Tal y como se comentó en el apartado 2 del presente trabajo, la calidad de
servicio se puede estudiar desde dos perspectivas: calidad de servicio de bajo
nivel, observable por los dispositivos de red, y calidad de servicio de alto nivel,
observable por el usuario y dependientes en gran parte de la aplicación.
Hasta ahora hemos estado hablando de la primera perspectiva estudiando
parámetros como el ancho de banda, retardo, variación en el retardo, tasa de
pérdida de paquetes, etc.
Algunos de los parámetros que nos permitirán estudiar la calidad de servicio
desde la segunda perspectiva, la mayoría de ellos subjetivos, son los siguientes:
§ Probabilidad de detección/notificación de eventos. Con él se
intenta medir la probabilidad de que habiendo ocurrido un evento,
éste no sea detectado o notificado a un sumidero interesado en él.
§ Error en la clasificación de eventos. El evento no solo debe ser
detectado, sino también clasificado con la mayor exactitud posible.
§ Retardo en la detección de eventos. Determina el tiempo
transcurrido desde que se detecta el evento hasta que se notifica.

O.Ortiz - 26 -
§ Pérdida de notificaciones. Probabilidad de que notificaciones
periódicas, requeridas por las aplicaciones, no lleguen.
§ Exactitud en el seguimiento. Las aplicaciones de seguimiento o
tracking no deben perder el objeto seguido, de forma que la
información sobre su posición debe ser lo más exacta posible.
• Eficiencia energética
Tal y como se han venido estudiando hasta ahora las redes inalámbricas de
sensores, podemos afirmar que la “eficiencia energética” es uno de los objetivos
de optimización más importantes. Ahora bien, bajo el término de eficiencia
energética se pueden englobar muchos aspectos, algunos de ellos son:
§ Energía necesaria para informar de un evento. Se ha de minimizar
la redundancia de datos derivada de la detección múltiple y
simultanea de un evento.
§ Equilibrio energía-retardo. En ocasiones puede estar justificado un
gasto “extra” de energía con el fin de minimizar el retardo en la
transmisión de datos denominados “urgentes”, procedentes de
eventos considerados de mayor importancia.
§ Tiempo de vida de la red. Es el tiempo durante el cual la red está
operativa, o lo que es lo mismo, durante el que es capaz de
completar las tareas para las que se diseñó. Se puede estudiar de
tres formas:
- Tiempo transcurrido hasta que muere el primer nodo
- Tiempo transcurrido hasta que el 50% de los nodos se
quedan sin energía.
- Tiempo transcurrido hasta que ocurre una partición de la
red, esto es, hasta que dos o mas partes de la red quedan
aisladas entre sí, debido a la muerte de nodos.

O.Ortiz - 27 -
• Robustez
Las redes inalámbricas de sensores deben seguir activas a pesar de que unos
cuantos nodos fallen debido al agotamiento de la batería, a cambios en el entorno,
al corte del enlace de radio, etc.
Evaluar todos estos aspectos para determinar la robustez de una red es una
labor muy difícil y que depende de los modelos de fallos usados tanto para los
nodos como para los enlaces de comunicación.
• Pilas de protocolos basadas en componentes y optimización inter-capa
Tal y como se comentó en el apartado 1 del presente trabajo, todas las redes
inalámbricas de sensores requerirán y se verán influidas en gran manera por los
protocolos de las capas física y enlace. Y habrá redes que requieran los servicios
de las capas de red y transporte. Debido a esto, la tendencia es la de optimizar las
comunicaciones entre las distintas capas usando arquitecturas inter-capa, pero
siempre de una forma prudente, ya que un mal uso de ellas puede producir bucles
retroalimentados y poner en peligro tanto la funcionalidad como la optimización
de todo el sistema [Kawadia2003].

Propuestas para Proporcionare Calidad de Servicio en Redes Inalámbricas de Sensores
O.Ortiz - 28 -
4.- PROPUESTAS PARA PROPORCIONAR CALIDAD DE SERVICIO EN REDES
INALAMBRICAS DE SENSORES
4.1.- Introducción
Hasta la fecha se ha dedicado mucho esfuerzo en optimizar la eficiencia energética
en las redes inalámbricas de sensores, centrándose en la investigación de nuevos
protocolos de encaminamiento y de control de acceso al medio. Sin embargo, en lo que se
refiere a la calidad de servicio, la experiencia es mucho más breve. Se han realizado
algunos estudios sobre encaminamiento con calidad de servicio en redes móviles Ad-Hoc,
pero nada serio en el contexto de las redes inalámbricas de sensores.
Conseguir un soporte adecuado de calidad de servicio es uno de los retos más
importantes dentro de cualquier red, incluidas las redes inalámbricas de sensores.
En este apartado se van a describir de forma general las técnicas usadas para
proporcionar calidad de servicio en este tipo de redes, centrándonos en los protocolos de
la capa MAC, red y transporte.
4.2.- Protocolos MAC
Para lograr que cualquier red, cuyo medio de transmisión esté compartido, opere
de forma correcta, es imprescindible contar con un nivel MAC adecuado. La tarea
fundamental de cualquiera de estos protocolos es el evitar o minimizar las colisiones que
se pueden producir cuando dos o más nodos tratan de transmitir información por el medio
de transmisión de forma simultanea.
Se han desarrollado muchos protocolos MAC para redes convencionales, tanto
cableadas como inalámbricas. Algunos tienen esquemas de asignación fija como el
protocolo TDMA (acceso múltiple por división en el tiempo) o el CDMA (acceso
múltiple por división de código) y otros, esquemas de asignación aleatoria basados en
contención como el protocolo ALOHA, CSMA (acceso múltiple por detección de
portadora) o el IEEE 802.11.

O.Ortiz - 29 -
Sin embargo, hay dos características típicas en las redes de sensores que hacen que
todos estos protocolos no sean válidos para ellas:
1. Redundancia de datos: No es necesario recibir todos los paquetes de todos los
nodos. Esto excluye los protocolos que usen esquemas de asignación fija.
2. Tráfico constante durante el tiempo de operación: Cuando un sumidero
requiere información de los nodos, todos estos tendrán al menos un paquete
que transmitir. Esto excluye los protocolos de acceso aleatorio, ya que están
pensados para cuando el tráfico existente en la red es aleatorio y a ráfagas.
Cuando se diseñe un protocolo MAC para una red inalámbrica de sensores se han
de tener en cuentas las siguientes características:
• Debe ser energéticamente eficiente.
• Debe ser escalable ante los cambios de tamaño de la red, densidad de
nodos y topología.
• Debe tener en cuenta parámetros como la latencia, el retardo, el ancho
de banda, etc.
Históricamente, siempre que se ha diseñado un protocolo MAC se ha tratado de
conseguir un alto throughput de unidades de paquetes por slot de tiempo, pero en un
escenario de red como el que estamos analizando, no basta con contabilizar el número de
paquetes que llegan a su destino, ya que dos sensores adyacentes pueden generar dos
paquetes cuya información sea muy parecida. Proporcionarían mucha más información
dos paquetes procedente de sensores alejados entre sí.
Un buen protocolo MAC debería ser aquel logre, con el mínimo tiempo y
utilizando la mínima cantidad de energía posible, realizar la tarea por la cual se ha
desplegado la red de sensores.
A continuación analizaremos los principales protocolos MAC con mecanismos de
calidad de servicio para redes inalámbricas de sensores.

O.Ortiz - 30 -
• El protocolo B-MAC
El protocolo B-MAC (Berkeley Media Access Protocol) [Polastre2004] es un
protocolo de acceso al medio con escucha de portadora para redes inalámbricas de
sensores. Proporciona una interfaz flexible para obtener un modo de operación de
muy bajo consumo de energía, efectividad a la hora de evitar colisiones y una alta
utilización de los canales.
Emplea un esquema de preámbulo adaptativo, lo que le permite funcionar con
muy bajo consumo, reduciendo el ciclo de trabajo al mínimo y minimizando el
tiempo de escucha. Soporta reconfiguración “al vuelo” y proporciona interfaces
bidireccionales para optimizar el rendimiento de los servicios del sistema
(throughput, latencia ó conservación de energía).
Es un protocolo simple, con un núcleo reducido y ofrece una serie de servicios
a los niveles superiores que le permite soportar una amplia variedad de carga de
trabajo en los sensores. Su efectividad está probada.
Además, propone una interfaz adaptativa que permite a los servicios de
middleware reconfigurar la carga de trabajo del protocolo MAC.
Los objetivos que se propusieron en el diseño de este protocolo fueron los
siguientes:
§ Modo de operación de bajo consumo de energía.
§ Efectividad evitando colisiones.
§ Implementación simple, con pocas líneas de código que puedan
almacenarse en una memoria muy reducida.
§ Efectividad en la utilización del canal para bajas y altas tasas de
transmisión de datos.
§ Reconfigurable por protocolos de red.
§ Tolerante a entornos cambiantes.
§ Escalable para un gran número de nodos.

O.Ortiz - 31 -
Para conseguir estos objetivos, B-MAC se diseñó siguiendo las directrices de
los protocolos CSMA a las cuales se les añadió diversos mecanismos para que
fueran funcionales en el contexto de las redes inalámbricas de sensores. Aunque
B-MAC está indicado para aplicaciones de monitorización, aunque también
soporta servicios adicionales como seguimiento de objetivos, localización,
informe de aparición de eventos o, incluso, encaminamiento multi-salto.
Aunque B-MAC es un protocolo del nivel de enlace, también ofrece algunos
servicios propios del nivel de red, como organización, sincronización y
encaminamiento, incluidos en su implementación.
• El protocolo Z-MAC
El protocolo Z-MAC (Zebra MAC) [Rhee2005] es un protocolo de acceso al
medio híbrido para redes de inalámbricas de sensores que combina las ventajas de
los protocolos TDMA y CSMA, minimizando sus inconvenientes. Su
característica principal es la adaptabilidad que tiene al grado de contención de la
red, de forma que si la contención es baja se comporta como CSMA y si es alta,
como TDMA. Presenta, además, una gran robustez ante cambios de topología y
fallos de sincronización.
Al finalizar el despliegue de los nodos, Z-MAC asigna a cada uno de ellos un
slot de tiempo inicial. Esto incurrirá en una alta sobrecarga de tráfico al principio,
pero que se verá amortizada con un largo periodo de operación de la red y
finalmente compensada con las mejoras que se obtienen en el throughput y en la
eficiencia energética.
La planificación del canal la realiza mediante el algoritmo DRAND
[Rhee2004] (versión distribuida del algoritmo RAND), haciendo que cada nodo
reutilice de forma periódica (frames) su slot de tiempo asignado inicialmente. Al
nodo al que se le haya asignado un slot, será “propietario” de ese slot, pasando a
ser “no propietarios” el resto de los nodos. Podrá haber más de un nodo

O.Ortiz - 32 -
propietario por slot, siempre y cuando estén situados a dos saltos o de distancia
entre sí.
A diferencia de TDMA, un nodo podrá transmitir durante cualquier slot de
tiempo. Para transmitir durante un slot (no necesariamente al principio del
mismo) se supervisa la portadora para verificar que el canal esta libre, siendo
entonces cuando se transmite el paquete. Se implementa un esquema de
prioridades, de forma que los nodos propietarios de un slot se les da opción a
transmitir en él antes que a los no propietarios, reduciendo así la posibilidad de
colisiones. En el caso de que los propietarios no hagan uso de su slot, los no
propietarios podrían “robarlo” y transmitir en él. Una característica importante de
este esquema de prioridades es que la probabilidad de que los propietarios
accedan al canal puede ser ajustada independientemente de los nodos no
propietarios.
Z-MAC llega a ser más robusto que TDMA ante fallos de sincronización,
variación de tiempo de canal, fallos de asignación de slot y cambios en la
topología, debido a que sólo necesita sincronizar nodos vecinos que estén hasta
dos saltos de distancia. Es más, incluso en los casos en los que la
desincronización sea total, el rendimiento de Z-MAC sería comparable al de
CSMA.
• El protocolo MAC de tiempo real estricto
Un proceso de tiempo real puede ser considerado como de tiempo real suave o
de tiempo real estricto. Si un proceso del sistema es de tiempo real suave y tiene
un fallo en tiempo de latencia (siempre dentro de unos límites establecidos), no
conllevará un fallo general en el sistema. Sin embargo, un proceso del sistema de
tiempo real estricto, si.
El protocolo MAC de tiempo real estricto para redes inalámbricas de sensores
lineales, fue publicado en [Watteyne2005] y está basado en otro protocolo MAC,
también de tiempo real estricto, publicado en [Caccamo2002].

O.Ortiz - 33 -
En [Caccamo2002] los nodos deben está organizados en células o celdas
hexagonales, diferenciando entre comunicaciones intracelulares e intercelulares.
Cada célula usa una frecuencia distinta para sus comunicaciones intracelulares, de
forma que con 7 frecuencias distintas nos aseguramos que no existirán
interferencias entre comunicaciones intracelulares de células vecinas. Dentro de
cada célula, el acceso al medio se regula mediante el algoritmo EDF (Earliest
Deadline First) [Caccamo2002]. Para las comunicaciones intercelulares se situará
un nodo “router” en el centro de cada célula. Las seis direcciones posibles son
denotadas por A, B, etc, y mediante la emisión de la frecuencia de la célula
receptora, es posible la emisión direccional. Utilizando un frame de tiempo global
se alternan las comunicaciones intra e intercelulares en una dirección
determinada.
Figura 12: Comunicación intercelular en I-EDF [Caccamo2002]
Sin embargo, este protocolo, tal y como está planteado, es prácticamente
inviable en el contexto de la redes inalámbricas de sensores debido, entre otras
cosas, a que se basa en una estructura celular rígida no compatible con un
despliegue aleatorio de los nodos, a parte del alto coste que supone el tener nodos
A
B
C
D
E
F 1
2
3
4
5
6
7
2
3
4
Inter-cell
A
Intra-cell Inter-cell
B
C
D
Intra-cell
time

O.Ortiz - 34 -
especiales, como los nodos “router” que deben tener un transceptor GPS para la
sincronización global.
El protocolo MAC que se propone en [Watteyne2005] es de tiempo real
estricto para una red de sensores de bajo coste, despliegue aleatorio, sin
diferenciación de nodos (no existen nodos “router”) y sin sincronización global
del reloj (sin GPS). No hay consideraciones de encaminamiento, ya que en los
tipos de aplicaciones soportadas, el área cubierta es lineal (las transmisiones de
los nodos alcanzan ambos limites). En un extremo de la red se sitúa un sumidero
que se encargará de recolectar los eventos captados por los sensores.
Cada nodo debe conocer su coordenada del eje de abscisas (único eje, al no
tratarse de una red en 2D), que lo identificará de forma única. Este valor podría
ser establecido durante el despliegue. Los nodos están separados por una distancia
situada entre distmin y distmax (distancia máxima a la cual pueden comunicarse los
nodos).
El enlace radio es bidireccional, por lo que cuando un nodo este situado entre
otros dos, éste podrá comunicarse con cualquiera de ellos. Los nodos se
comunican utilizando un ancho de banda constante BW (en bps); la longitud de
los mensajes en bits son denotados mediante longitud<tipo de mensajes>. Cada nodo
conoce a priori el valor maxrango (en metros), que es el máximo rango de emisión
de un nodo en condiciones óptimas.
Se considera que los eventos son aperiódicos; pueden ser generados por
cualquier nodo y todos son de igual importancia.
Bajo estas hipótesis, un nodo puede acceder al medio sólo si ha esperado
durante un tiempo de backoff proporcional a la distancia que le separa del último
nodo emisor, y no ha escuchado ningún otro mensaje durante este tiempo de
espera. Si todos los nodos están separados entre sí una distancia mínima distmin ,
las colisiones serán evitadas.

O.Ortiz - 35 -
• El nivel MAC de IEEE 802.15.4
La especificación IEEE 802.15.4 [IEEE802.15.4,2003] ha sido recientemente
adoptado como estándar de comunicación para las redes de área personal
inalámbricas de baja tasa de transmisión (LR-WPANs, Low-Rate Wireless
Personal Area Networks). Es lo suficientemente flexible y configurable como
para poder adaptarse a los requisitos de muchas aplicaciones. De hecho, aunque
no fue inicialmente diseñado para las redes inalámbricas de sensores, puede ser
adaptado fácilmente a ellas, ya que la baja tasa de transmisión, el bajo consumo
de energía y el bajo coste del despliegue de la red son parámetros claves de esta
especificación.
Figura 13: Torre de protocolos del estándar IEEE 802.15.4
El protocolo usado en la capa MAC de esta especificación proporciona ciclos
de trabajo muy bajos (inferiores al 0,1%) y garantías de tiempo real mediante el
uso del mecanismo de Slot de Tiempo Garantizado (GTS), características muy
IEEE 802.15.4
868/915 MHz
PHY
IEEE 802.15.4
2400 MHz
PHY
IEEE 802.15.4 MAC
IEEE 802.2 LLC Otros LLC
Capas Superiores

O.Ortiz - 36 -
interesantes para redes donde el consumo de energía, el tiempo de vida y los
requisitos de retardo sean críticos.
4.3.- Protocolos de Encaminamiento
El encaminamiento en redes inalámbricas de sensores es más complejo que el
encaminamiento en otras redes inalámbricas Ad-Hoc, y por su puesto, más complejo que en
las redes convencionales. Los principales motivos son los siguientes:
1. No es posible construir y esquema de direccionamiento global, al estilo de IP.
Además, en la mayoría de las ocasiones es más importante el hecho de obtener
los datos que conocer la identidad de quién los envía.
2. La mayoría de las aplicaciones que hagan uso de estas redes van a requerir el
dirigir flujos de datos originados en distintos nodos distantes entre sí, hacia un
sumidero determinado. Normalmente, el encaminamiento se hará basándose en
la información (data-centric).
3. Los datos generados en los nodos van a tener una gran redundancia, hecho que
si se aprovechara adecuadamente se podría reducir el consumo de energía y
mejorar el ancho de banda.
4. Hay que prestar especial cuidado a la hora de gestionar los recursos de los
nodos ya que, como se ha comentado en apartados anteriores, están
fuertemente limitados.
5. En la mayoría de las aplicaciones los nodos permanecerán estacionarios
después del despliegue. En los casos en los que algunos nodos sean móviles,
hay que tener en cuenta que esto originará cambios frecuentes e impredecibles
en la topología, haciendo que la tarea de encontrar y mantener las rutas no sea
nada trivial.
6. Es importante saber en todo momento la localización de los nodos, teniendo en
cuenta que normalmente no es posible contar con un hardware específico de
localización GPS (Global Positioning System), por lo que se debería prescindir
de él [Intanagonwiwat2000]. Hay métodos basados en triangulación que

O.Ortiz - 37 -
permiten a los nodos calcular de forma aproximada su posición comprobando
la potencia de la señal de radio desde unos puntos de referencia conocidos
[Bulusu2000].
En general, los protocolos de encaminamiento en redes inalámbricas de sensores
pueden estudiarse desde dos puntos de vista, dependiendo de la estructura de la red o del
criterio de encaminamiento que se use.
Dependiendo de la estructura de la red podemos tener encaminamiento plano (todos los
nodos tienen la misma funcionalidad), encaminamiento jerárquico (los nodos jugarán
diferentes roles dentro de la red) o encaminamiento basado en localización (la información
de la posición de los nodos se usa para encaminar los datos dentro de la red).
Y dependiendo del criterio de encaminamiento, tendremos protocolos basados en
negociación, multitrayecto, petición, calidad de servicio o coherencia.
Todos estos protocolos se consideraran adaptativos si pueden ser controlados ciertos
parámetros suyos con el fin de amoldarse a las condiciones actuales de la red y a los niveles
de energía disponibles.
Otra posible clasificación de los protocolos de encaminamiento, atendiendo a cómo se
encuentra la ruta, puede ser la siguiente:
§ Protocolos proactivos. Todas las rutas son calculadas antes de que se necesiten,
preferibles cuando los nodos son estáticos.
§ Protocolos reactivos. Las rutas se descubren y se establecen bajo demanda, con
el consumo de energía que lleva asociado.
§ Protocolos híbridos. Usan una combinación de los dos tipos anteriores.
Otra clase de protocolos de encaminamiento son los llamados cooperativos. En este tipo
de protocolos, los nodos envían datos a un nodo central donde pueden ser agregados o
procesados de alguna forma, ayudando así a reducir el coste de las rutas, en términos de uso
de energía.

O.Ortiz - 38 -
A continuación se presentarán brevemente las técnicas y protocolos de encaminamiento
desarrollados más recientemente para redes inalámbricas de sensores, centrándonos en los
basados en calidad de servicio. Para ello, se ha tenido en cuenta la clasificación de protocolos
mostrada en la figura.
Figura 14: Clasificación de los protocolos de encaminamiento
4.3.1- Protocolos de basados en la estructura de la red
Los protocolos de encaminamiento en redes inalámbricas de sensores que se
basan en la estructura de la red se pueden clasificar dentro de tres grandes grupos, tal y
como se muestra en la figura anterior.
En la siguiente clasificación de detallan los protocolos concretos, dentro de esos
grupos, que se presentarán en este apartado.
Encaminamiento
basado en
multitrayecto
Protocolos de Encaminamiento en Redes
Inalámbricas de Sensores
Estructura de Red
Criterio de Encaminamiento
Encaminamiento
en redes
planas
Encaminamiento
en redes
jerárquicas
Encaminamiento
basado en
localización
Encaminamiento
basado en
petición
Encaminamiento
basado en
negociación
Encaminamiento
basado en
calidad de servicio

O.Ortiz - 39 -
Figura 15: Clasificación de los protocolos de encaminamiento basados en la estructura de la red
• Protocolos de Encaminamiento en redes planas
En este tipo de redes todos los nodos juegan el mismo papel, colaborando
unos con otros para hacer la captación de eventos de forma conjunta. Dada la gran
cantidad de nodos que forman estas redes, no es viable el asignar un identificador
a cada uno de ellos, por lo que un encaminamiento basado en la información es a
priori lo más indicado. Los dos protocolos principales que siguen esta filosofía
son “SPIN” y “difusión dirigida”, de los que derivan muchos otros protocolos que
siguen conceptos similares.
Protocolos basados en la
estructura de la red
Encaminamiento
en redes planas
Encaminamiento
en redes
jerárquicas
Encaminamiento
basado en la
localización
Sensor Protocols for Information via Negotation
Difusión Dirigida
Data-Centric Data Dissemination
Encaminamiento basado en gradiente
Active Query forwarding In sensor nEtwork
Algoritmo de reenvío de coste mínimo
Encaminamiento basado en ahorro de energía
Low Energy Adaptative Clustering Hierarchy
Threshold-sensitive Energy Efficient Protocols
Small Minimum Energy Communication Network
Arquitectura de rejilla virtual
Encaminamiento Geográfico y Conservador de
Energía
SPAN
MFR, DIR y GEDIR

O.Ortiz - 40 -
§ Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN)
Es una familia de protocolos de encaminamiento adaptativos,
propuestos en [Heinzelman1999] y en [Kulik2002], que diseminan toda la
información de cada nodo por la red, asumiendo que todos los nodos son
potenciales estaciones base, de forma que como nodos muy próximos
captarán información similar y sólo se distribuirán los datos que otros nodos
no poseen. Esto permite, siguiendo el modelo query-driven, que ante una
petición se obtenga una respuesta casi inmediata.
Estos protocolos utilizan negociación de datos y algoritmos de
adaptación de recursos. Los nodos que ejecutan SPIN asignan un nombre o
etiqueta (metadatos) a los datos que recogen, cuyo formato depende
normalmente de la aplicación. Esto permite que antes de comenzar una
transmisión, pueda haber negociación de metadatos, reduciendo así al
mínimo la redundancia en los datos propiamente dichos. Además, el
protocolo puede saber en cada momento el nivel de energía del que dispone
el nodo, adaptando asi su ejecución. Pueden funcionar incluso, en modo
event-driven, distribuyendo información sin que haya habido una petición
previa.
Las dos ideas principales en las que se basa su diseño son:
- Los nodos funcionan más eficientemente y conservan más energía
mediante el envío de metadatos en vez de enviando todos los datos.
- Las técnicas de inundación malgastan energía y ancho de banda ya
que envían copias innecesarias de datos.
SPIN se adapta muy bien a los cambios de topología de la red, ya que
cada nodo sólo necesita conocer a sus vecinos, y consigue ahorrar bastante
energía, ya que minimiza la redundancia de datos. Esto hace que sea
apropiado en entornos donde los nodos son móviles, sin embargo, no puede
garantizar la llegada de los datos.

O.Ortiz - 41 -
§ Difusión Dirigida
Protocolo propuesto en [Intanagonwiwat2000] que se basa en el
paradigma data-centric, en la que se combinan los datos procedentes de
varias fuentes (agregación de datos), reduciendo la redundancia y
minimizando el número de retransmisiones, ahorrando así energía y
prolongando el tiempo de vida de la red.
A diferencia del encaminamiento punto a punto, se buscan rutas desde
múltiples fuentes a un único destinatario, que es el encargado de realizar la
agregación.
Cuando el sumidero quiere pedir datos, difunde por la red unos
intereses o tareas que deben ser realizadas por ella. Esta difusión se produce
salto a salto hasta que llega a la fuente. Cuando un nodo recibe un interés
establece un gradiente (valor de atributo y dirección) hacia los nodos desde
los que recibió dicho interés. De todos los posibles caminos formados, se
elige y se refuerza el de mayor gradiente.
Figura 16: Difusión dirigida: Propagación de intereses
Figura 17: Difusión dirigida: Establecimiento de gradientes
Sumidero
Fuente
Sumidero
Fuente

O.Ortiz - 42 -
Figura 18: Difusión dirigida: Refuerzo de camino y envío de datos
A diferencia del encaminamiento punto a punto, se buscan rutas desde
múltiples fuentes a un único destinatario, que es el encargado de realizar la
agregación.
El objetivo principal es el ahorro de energía mediante la adecuada
selección de caminos y el almacenamiento y procesado de los datos,
aumentando así la eficiencia, la robustez y la escalabilidad.
El rendimiento de los métodos de agregación usados en difusión
dirigida dependen, entre otras cosas, de la posición del nodo fuente dentro
de la red, del número de nodos fuente y de la topología de la red. Los dos
modelos de ubicación de fuentes estudiados en [Intanagonwiwat2000]
fueron el modelo event-radius y el modelo de orígenes aleatorios.
Figura 19: Modelo Event-Radius Figura 20: Modelo de Orígenes Aleatorios
Sumidero
Fuente
Sumidero Sumidero

O.Ortiz - 43 -
§ Data-centric Data Dissemination (D3)
Este protocolo, descrito en [Ditzel2005], combina las ventajas del
encaminamiento data-centric con la eficiencia energética de los protocolos
MAC. Sus principales características son la eficiencia energética, su
simplicidad y a capacidad de conservar la energía mediante el
balanceo de tráfico y la agregación de datos.
§ Encaminamiento basado en gradiente
Este protocolo, descrito en [Schugers2001], es una versión
modificada de difusión dirigida, de forma que se registra el número de
saltos cuando los intereses son enviados a través de la red, así cada nodo
puede descubrir el mínimo número de saltos hacía el sumidero (“altura” del
nodo). La diferencia entre la “altura” de un nodo y la de su vecino, define el
gradiente de un enlace. Para balancear uniformemente el tráfico se utilizan
técnicas de agregación y reparto equitativo de tráfico.
§ Active Query forwarding In sensor nEtwork (ACQUIRE)
Este protocolo, publicado en [Sadagopan2003], esta basado en un
mecanismo de peticiones data-centric. El protocolo considera a la red de
sensores como una base de datos distribuida en la que el sumidero envía
una petición y cada nodo que la reciba intentará responderla parcialmente
utilizando su información en caché y reenviado su respuesta a otros nodos.
Si la información en caché no estuviera actualizada, los nodos consultarán a
sus vecinos situados en un radio de d saltos. Una vez que la petición llega a
su destino, ésta es reenviada hacia atrás hacía el sumidero.
§ Algoritmo de reenvío de coste mínimo
Este protocolo, descrito en [Ye2001], asume que la dirección de las
rutas es siempre la misma, es decir, la localización del sumidero es fija.

O.Ortiz - 44 -
Cada nodo conoce el camino de menor coste desde él al sumidero. Cada
mensaje reenviado por el nodo es difundido a sus vecinos. Cuando un nodo
recibe el mensaje, lo chequea para comprobar si se encuentra en el camino
de menor coste hacia el sumidero, si es así, se vuelve a difundir a los
vecinos. Este proceso se repite hasta que se alcanza el sumidero.
§ Encaminamiento basado en ahorro de energía
El objetivo de este protocolo, descrito en [Shah2002], es incrementar
el tiempo de vida de la red manteniendo un conjunto de rutas elegidas
mediante unos cálculos de probabilidad. El valor de esta probabilidad
depende del consumo de energía producido en cada ruta. Teniendo varios
caminos alternativos, se podrá elegir uno diferente cada vez que se quiera
enviar datos evitándose de este modo que se consuma toda la energía de los
nodos situados en un único camino. De este modo se logrará aumentar el
tiempo de vida de la red mediante el balanceo equitativo de la energía entre
todos los nodos.
• Protocolos de Encaminamiento en redes jerárquicas
En una arquitectura jerárquica no todos los nodos tienen la misma misión ni
las mismas capacidades. Los nodos con mayor carga de energía se suelen dedicar
al procesado y envío de información, mientras que los que tengan menos, se
pueden dedicar a la captación de un evento. Con este planteamiento, la red va a
estar formada por una serie de clusters de nodos, en los que uno de ellos tendrá
tareas especiales (cluster head). Dentro del cluster se realizarán tareas de
agregación y fusión de datos para minimizar el número de mensajes transmitidos
al sumidero, reduciendo así la energía consumida.
Este tipo de encaminamiento se divide en dos etapas: en la primera de ellas
se seleccionan los cluster heads y en la segunda se lleva a cabo el encaminamiento
propiamente dicho. Sin embargo, la mayoría de técnicas de este tipo no se centran

O.Ortiz - 45 -
en el encaminamiento, sino en “quién y cuándo se envía o se procesa (agrega) la
información”.
§ Low Energy Adaptative Clustering Hierarchy (LEACH)
El protocolo LEACH, introducido [Heinzelman2000], es un protocolo
basado en cluster que maneja información distribuida dentro de él. Se
seleccionan aleatoriamente unos pocos nodos para que actúen como cluster
heads, y de forma periódica se irá rotando esta función por el resto de los
nodos, de forma que se reparta el gasto energético extra que esta función
supone. El cluster head comprime y agrega los datos que se reciben desde
los nodos y envía un único mensaje al sumidero. En la especificación de
LEACH, se recomienda usar un protocolo de nivel MAC basado en
TDMA/CDMA, por ejemplo, Z-MAC.
El periodo de operación de LEACH está dividido en dos fases, la fase
de establecimiento y la fase activa. En la fase de establecimiento, se
organizan los cluster y se seleccionan los cluster heads. En la fase activa, se
realiza la transferencia de datos hacia el sumidero.
Aunque LEACH es capaz de incrementar el tiempo de vida de la red,
tiene una serie de debilidades debido a las suposiciones que realiza:
- Asume que todos los nodos tienen potencia suficiente como para
alcanzar al sumidero y que tienen capacidad computacional como
para ejecutar el protocolo MAC necesario. Esto le hace inviable
para redes desplegadas en zonas amplias.
- Supone que los nodos siempre tienen datos que enviar, siendo muy
parecidos los datos de nodos próximos.
- En la distribución aleatoria de cluster-heads puede ocurrir que se
concentren en un único sector de la red.
- Asume que todos los nodos parten con la misma carga energética y
que los cluster heads consumen más o menos lo mismo que un

O.Ortiz - 46 -
nodo normal (cuestión tratada en una revisión del LEACH,
llamada LEACH con negociación [Heinzelman2000(2)].
PROTOCOLO DE ENCAMINAMIENTO
CARACTERISTICA SPIN DIFUSION DIRIGIDA LEACH
Ruta óptima No Si No
Tiempo de vida de la red Bueno Bueno Muy Bueno
Conservador de recursos Si Si Si
Utiliza metadatos Si Si No
Tabla 2: Comparativa de protocolos de encaminamiento
§ Threshold-sensitive Energy Efficient Protocols (TEEN y APTEEN)
En [Manjeshw2001] y en [Manjeshw2002] se proponen dos
protocolos de encaminamiento con requisitos de tiempo real, el protocolo
TEEN (Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Network protocol) y el
APTEEN (Adaptative Periodic Threshold-sensitive Energy Efficient sensor
Network protocol), respectivamente.
En el protocolo TEEN los nodos están sondeando el medio
constantemente. El nodo que actúe de cluster head envía al resto de los
nodos del cluster dos valores: un valor mínimo y un umbral de disparo. Los
nodos no transmitirán ningún dato por debajo del valor mínimo, reduciendo
así el número de transmisiones, ni cuando el cambio en el valor captado esté
por debajo del umbral de disparo, reduciendo igualmente las transmisiones
ya que no se enviará nada si el valor captado no experimenta una variación
determinada.
Reduciendo el umbral de disparo podemos hacer que los datos
recibidos por el sumidero tengan mayor resolución, pero esto incrementaría
el número de transmisiones y por lo tanto el consumo energético. El usuario
debe buscar el compromiso de calidad que considere adecuado.

O.Ortiz - 47 -
Si los nodos del cluster no recibieran por cualquier motivo ninguno de
los valores umbrales, no llegarían a transmitir ningún datos o transmitirían
datos erróneos.
Su característica principal y más interesante es su buena adaptabilidad
a aplicaciones con requisitos de tiempo real de exigencia media.
El protocolo APTEEN es un protocolo híbrido capaz de variar la
periodicidad o los valores de los umbrales que el cluster head difunde a los
nodos, según las necesidades del usuario y el tipo de aplicación. En
APTEEN, los cluster heads difunden los siguientes parámetros:
- Atributos. Es un conjunto de parámetros físicos que pueden
proporcional alguna información de interés para el usuario.
- Umbrales. Los mismo valores y con las mismas funciones que en
TEEN.
- Periodo de información. Si un nodo no enviase información
durante un periodo de tiempo igual a este valor, se le forzaría a
hacerlo, transmitiendo los últimos valores que hubiera captado.
- Planificación. Se usa una planificación TDMA modificada que le
permite combinar políticas proactivas y reactivas, ofreciendo gran
flexibilidad al permitir al usuario establecer los valores umbrales y
de periodo de información.
Simulaciones de estos protocolos demuestran que superan en
rendimiento a LEACH y entre ellos dos, TEEN da un mayor rendimiento
debido a que minimiza el número de transmisiones.
§ Small Minimum Energy Communication Network (SMECN)
Este protocolo ha sido descrito en [Rodoplu1999]. Su objetivo es
dividir la red en subredes o clusters energéticamente más eficientes. A cada
nodo se le asigna una región de envío, que consiste en un área a través de la

O.Ortiz - 48 -
cual el envío de datos es más eficiente, energéticamente hablando, que por
otras zonas de la red. La idea principal de SMECN es encontrar una subred
que tenga menos nodos y que, por lo tanto, requiera menos saltos para
alcanzar el sumidero. El protocolo es autoconfigurable y por ello puede
adaptarse dinámicamente a los fallos de nodos.
§ Arquitectura de rejilla virtual
Esta propuesta de encaminamiento, presentada en [Jamal2004], se
basa en la agregación y procesamiento de datos para alcanzar la eficiencia
energética. Tiene en cuenta la poca movilidad de los nodos, por lo que los
sitúa en una topología fija con clusters fijos, iguales, adyacentes y no
superpuestos.
La agregación de datos se hace, en un primer nivel, de forma local por
un conjunto de cluster heads designados como Agregadores Locales. Y en
un segundo nivel, se realiza una agregación global por un subconjunto de
agregadores locales, designados como Agregadores Maestros.
Figura 21: Arquitectura de rejilla virtual
Sumidero
Nodo Nodo Agregador Local Nodo Agregador Maestro

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• Protocolos de Encaminamiento basados en la localización
Este tipo de protocolos de encaminamiento identifican a los nodos por su
localización, estimando la distancia entre ellos en base a la potencia de la señal
recibida. Las coordenadas de los nodos se pueden obtener de varias formas:
- mediante el intercambio de información entre vecinos
([Bulusu2000], [Savvides2000] y [Capkun2001]).
- mediante la comunicación con un satélite, utilizando receptores
GPS de baja potencia [Xu2001] (opción poco recomendable).
Independientemente de esto, se suelen mantener el mayor número de nodos
en modo de hibernación, siempre que no haya actividad, con el objetivo de
ahorrar energía. El problema estará a la hora de diseñar los planificadores de
periodos de hibernación de manera localizada, problema planteado en [Chen2002,
Xu2001].
Describiremos brevemente alguno de ellos.
§ Encaminamiento Geográfico y Conservador de Energía (EGCE)
Este protocolo ([Yu2001]) selecciona los nodos teniendo en cuenta su
situación geográfica y el gasto de energético. Disemina por la red
determinados “intereses” de forma similar a como lo hace “difusión
dirigida”, pero sólo a una región determinada de la red y no a la red
completa. Cada nodo guarda información sobre varios parámetros
(principalmente distancia, energía y densidad de las zonas a atravesar) con
los cuales se realiza una estimación del coste para alcanzar un destino.
§ Most Forward within Radious (MFR), compass routing method (DIR) y
The Geographic Distance Routing (GEDIR)
Estos protocolos de encaminamiento se describen en
[Stojmenovic1999] e implementan métodos básicos basados en distancias,
progreso y dirección. La clave se encuentra en la dirección de ida y de

O.Ortiz - 50 -
vuelta. Un nodo fuente o cualquier nodo intermedio seleccionarán uno de
sus vecinos de acuerdo a unos ciertos criterios.
GEDIR siempre mueve el paquete al vecino cuya distancia al destino
sea mínima. Para DIR, el mejor vecino es aquel que se encuentra en la
dirección más próxima al destino. En la mayoría de los casos, el método
MFR establece la misma ruta al destino. Los métodos GEDIR y MFR están
libres de bucles, sin embargo el método DIR puede crear bucles, a menos
que el tráfico que pase sea memorizado o se implemente un sistema de
temporizadores.
§ SPAN
SPAN [Chen2002] selecciona algunos nodos como coordinadores
teniendo en cuenta sus posiciones. Los coordinadores forman una red
backbone que es utilizada para reenviar los mensajes. Un nodo deberá ser
un coordinador si dos de sus vecinos no pueden comunicarse directamente o
a través de uno o dos coordinadores. Los coordinadores nuevos y los ya
existentes no tienen porque ser necesariamente vecinos, lo que hace que el
diseño sea menos eficiente en cuanto a energía debido a la necesidad de
mantener la distancia de dos o tres saltos a los vecinos.
4.3.2- Protocolos de basados en el criterio de encaminamiento
• Protocolos basados en multitrayecto
Este tipo de protocolos se basan en la utilización de múltiples rutas para
mejorar el rendimiento de la red. La tolerancia a fallos de un protocolo puede
medirse por la probabilidad de que exista un camino alternativo o camino de
backup entre una fuente y un destino cuando el camino principal queda fuera de
servicio. Estos caminos alternativos se mantienen activos enviando de forma

O.Ortiz - 51 -
periódica mensajes de tipo keep-alive. La tolerancia aumenta al incrementarse el
número de trayectos disponibles, pero también el consumo energético y el tráfico.
En [Chang2000] se propone un algoritmo que encamina los datos a través
del trayecto cuyos nodos tengan mayor energía residual, cambiando de ruta si se
descubre una con mejores características. La ruta principal será utilizada hasta
que la energía de sus nodos caiga por debajo de un cierto umbral y se conmute a
una ruta de backup, alternándose así los diferentes caminos existentes. Sin
embargo, lo que no se ha tenido en cuenta en este estudio son los costes que
supone realizar el cambio de ruta.
En [Rahul2002] se propone la utilización ocasional de un conjunto de
caminos subóptimos para incrementar el tiempo de vida de la red. Estos caminos
son seleccionados mediante una probabilidad que será mayor cuanta menos
energía se deba utilizar para alcanzar el destino.
[Li2001] se centra directamente en aquellos caminos que son eficientes
energéticamente, en vez de hacer un estudio de la energía residual de la red.
En [Dulman2003], el encaminamiento multitrayecto se usa para mejorar la
fiabilidad de las redes inalámbricas de sensores. El esquema propuesto es muy
útil para el envío de datos en entornos poco fiables. La fiabilidad de la red se
puede incrementar proporcionando varios caminos desde la fuente al destino y
enviando el mismo paquete por cada ruta. Sin embargo, utilizando esta técnica, el
tráfico se incrementa significativamente. Deberá existir un compromiso entre la
cantidad de tráfico y la fiabilidad de la red.
• Protocolos basados en petición
En este tipo de protocolos de encaminamiento, los nodos propagan una
petición de datos (tareas de captación) a través de la red y cuando un nodo
(afectado por la petición anterior) haya obtenido la información que pidió el nodo
iniciador, retornará dicha información. Normalmente las peticiones son descritas
en lenguaje natural o lenguaje de alto nivel. Todos los nodos tienen tablas con las

O.Ortiz - 52 -
tareas de captación que se le han encomendado, y mandan la información
correspondiente cuando hayan finalizado la tarea de captación. La difusión
dirigida es un ejemplo de este tipo de encaminamiento (el sumidero manda los
mensajes de “requisitos” a los nodos).
• Protocolos basados en negociación
Estos protocolos usan descriptores de datos de alto nivel para eliminar la
redundancia de datos de las transmisiones mediante negociaciones. Las decisiones
de comunicación son tomadas en base a los recursos que están disponibles. Los
protocolos de la familia SPIN y los presentados en [Kulik2002] son ejemplos de
protocolos basados en negociación.
• Protocolos basados en calidad de servicio
La calidad de servicio es de vital importancia para las aplicaciones de
tiempo real sobre redes inalámbricas de sensores. Igual que hablamos de tiempo
real estricto y tiempo real suave, también existe el concepto de calidad de servicio
fuerte y calidad de servicio suave.
El tráfico que genera una aplicación en tiempo real se caracteriza por un
flujo de datos periódico, definido dentro de una sesión, que dura un intervalo de
tiempo. Una calidad de servicio fuerte implica mantener las especificaciones de
calidad durante toda la sesión, cosa difícil de garantizar debido a la naturaleza
cambiante del medio, sin embargo una calidad de servicio suave si puede estar
cubierta por la red [Veres2001]. Una sesión tendrá requisitos de calidad de
servicio suave si hay periodos transitorios en los que no se cumple la
especificación de calidad de servicio [Mohapatra2002].
Para lograr esta calidad de servicio, la capa de red, dentro de la arquitectura
de protocolos, es de suma importancia debido a que:
- es la responsable de establecer las rutas para unir dos puntos
distantes dentro de la red, proporcionando eficiencia energética y

O.Ortiz - 53 -
estabilidad, aunque el entorno sea cambiante. Un encaminamiento
multitrayecto y una transmisión multisalto pueden ser muy
interesantes, teniendo en cuenta los compromisos energía-latencia
que llevan asociados.
- sirve de intermediario entre las capas MAC y la aplicación,
mapeando los parámetros de calidad de servicio de la aplicación a
los parámetros de rendimiento de la capa MAC, y viceversa.
Para proporcionar una solución global de calidad de servicio, el protocolo
de encaminamiento tiene que estar orientado a ella. Ya hay muchos estudios sobre
protocolos de encaminamiento orientados a la calidad de servicio en el escenario
de las redes inalámbrica ad-hoc [Lin2001, Chen1999], pero no se pueden
extrapolar a las redes inalámbricas de sensores debido a las limitaciones de
energía y potencia computacional asociadas a estas redes.
En [Chen2004] y en [Younis2004] se han investigado los mecanismos para
proporcionar calidad de servicio al tráfico de las redes inalámbricas de sensores,
sin embargo en estos trabajos no se ha realizado una clasificación de los
mecanismos utilizados.
A continuación introduciremos una clasificación de las soluciones
propuestas sobre calidad de servicio en la capa de red, basándonos en el
mecanismo subyacente utilizado. Como se puede ver en la siguiente figura, hay
dos grandes categorías, las soluciones basadas en puntualidad y las basadas en
fiabilidad.

O.Ortiz - 54 -
Figura 22: Clasificación de las soluciones de calidad de servicio en la capa de red
§ Soluciones de calidad de servicio basadas en puntualidad
Se clasifican dentro de dos grandes grupos: IntServ (Servicios
Integrados, basados en reserva de recursos) y DiffServ (Servicios
Diferenciados, basados en clases de tráfico).
En IntServ, la puntualidad en la llegada de los paquetes se
proporciona mediante la reserva por flujos, idea poco escalable para las
redes inalámbricas de sensores. Un protocolo de encaminamiento que sigue
esta idea es el protocolo SPEED, propuesto en [He2003], que utiliza el
reenvío geográfico no determinístico como principal mecanismo de
encaminamiento. Este mecanismo es capaz de encaminar paquetes sin el
establecimiento previo de una ruta punto a punto.
Soluciones de
calidad de servicio
para la capa de red
Puntualidad
Fiabilidad
IntServ como Mecanismo
(punto a punto)
[Stankovic2003]
DiffServ
(por paquete)
Prioridad
Constante
Prioridad Diferenciada
(puede cambiar en cada salto)
[Chenyang2001] [Felemban2005]
Misma prioridad para
todos los paquetes de
tiempo real
[Akkaya2003]
Encaminamiento Multitrayecto
[Deb2003] [Felemban2005]
Paquetes del mismo
flujo tienen la misma
prioridad
[Sohrabi2000]

O.Ortiz - 55 -
En DiffServ, y dentro de los protocolos de “prioridad constante”,
tenemos el protocolo SAR [Sohrabi2000], uno de los primeros propuestos,
que asigna una prioridad determinada e inalterable a los paquetes
perteneciente a un flujo o sesión. Puede manejar múltiples niveles de
prioridad, pero la extensa tabla de rutas que necesita hace que no sea
adecuado para grandes redes. Otro protocolo de prioridad constante es el
que se propone en [Akkaya2003] para tráfico en tiempo real procedente de
nodos con sensores de imagen. Maneja dos tipos de tráfico: best effort y
tiempo real, no soportando varias prioridades dentro de cada tipo de tráfico.
Finalmente, dentro de los de “prioridad diferenciada”, nos
encontramos el protocolo MMSPEED (Multi-path Multi-speed Routing
Protocol) [Felemban2005] que proporciona garantías de calidad de servicio
tanto en puntualidad como en fiabilidad. En fiabilidad, usando
encaminamiento multitrayecto con un número de caminos dependiente del
grado de fiabilidad requerido por el paquete, y en puntualidad, cediendo
diversos anchos de banda para garantizar la velocidad de los paquetes.
§ Soluciones de calidad de servicio basadas en fiabilidad
El mecanismo más común usado en redes inalámbricas de sensores
para proporcionar fiabilidad es el encaminamiento multitrayecto, enviado
varias copias de la misma información sobre caminos distintos. Dos
soluciones propuestas, basadas en este tipo de encaminamiento, son
ReInForm [Deb2003] y MMSPEED [Felemban2005].
En ReInForm, la fiabilidad punto a punto se consigue observando la
información del paquete y la adaptabilidad a errores del canal para crear una
asignación diferencial de los recursos de la red basada en la importancia de
los datos. En MMSPEED, cada nodo fuente asigna un valor de probabilidad
a un paquete, definiendo así la fiabilidad requerida. Este valor será asignado
en función de la importancia de los datos que contenga el paquete.

O.Ortiz - 56 -
4.4.- Protocolos de Transporte
Un protocolo de nivel de transporte debe tener como objetivo minimizar la congestión,
y la pérdida de paquetes, gestionar la asignación del ancho de banda y garantizar fiabilidad
extremo a extremo. Los protocolos de este nivel que se están usando actualmente (UDP y
TCP) no se pueden implementar directamente sobre una red inalámbrica de sensores. Por
ejemplo, UDP no es un protocolo fiable y no ofrece control de congestión, por otra parte,
TCP lleva asociada una sobrecarga implícita en el establecimiento y en la liberación de la
conexión que hace que no sea energéticamente eficiente, entre otras cosas.
Cualquier protocolo de transporte que se diseñe para una red inalámbrica de sensores,
ha de hacerse pensando en que los dos problemas principales a los que se tiene que enfrentar
en este tipo de redes son la congestión y la pérdida de paquetes.
Los parámetros de diseño con los que se puede jugar para conseguir estos objetivos son
los siguientes:
• Factores de optimización. El rendimiento de los protocolos de transporte puede
ser evaluado utilizando distintas métricas, como:
§ Eficiencia energética. La pérdida de paquetes suele derivar en
retransmisiones y por lo tanto en consumo de energía.
§ Fiabilidad.
- de paquete: hay aplicaciones que requieren una
transmisión exitosa de todos los paquetes.
- de eventos: hay aplicaciones que sólo requieren una
detección de eventos precia.
[Sankarasubramaniam2003]
§ Métricas de calidad de servicio. En ellas se incluye en ancho de
banda, la latencia o retardo y la tasa de pérdida de paquetes.
§ Equilibrio. El gran área geográfica de despliegue de los nodos
hace que no estén todos en igualdad de condiciones a la hora
de transmitir sus datos hacia el sumidero. Los protocolos de
transporte deben asignar anchos de banda de forma equilibrada

O.Ortiz - 57 -
para obtener una cantidad de datos compensada de todos los
nodos sensores.
• Control de congestión. Las causas principales que provocan congestión en las
redes inalámbricas de sensores son, que la tasa de llegada de paquetes exceda la
tasa de servicio (más probable en los nodos cercanos al sumidero) o debido a
aspectos de rendimiento del enlace tales como la contención, interferencia o tasa
de error de bit. La congestión tiene un impacto directo en la eficiencia
energética y en la calidad de servicio de la aplicación, por lo que hay que tratar
de eliminarla , o al menos minimizarla. Hay tres mecanismos que se suelen usar
para controlarla:
§ Detección de congestión. Se usan mecanismos que permitan
determinar una longitud de cola [Hull2004, Wan2003], un
tiempo de servicio [Ee2004], o la proporción de tiempo de
servicio de paquete sobre el intervalo de tiempo entre nodos
intermedios [Wang2006].
§ Notificación de congestión. Una vez detectada, tiene que
propagar esa información hacia los nodos que están
provocando la congestión. Puede hacerlo de dos formas:
- De forma explícita: se usan mensajes de control
especiales
- De forma implícita: la notificación va incluida dentro de
paquetes de datos normales.
§ Ajuste de tasa. Cuando un nodo sensor recibe una indicación
de congestión, debe ajustar su tasa de transmisión de la forma
más precisa posible.
• Recuperación ante pérdidas. En entornos inalámbricos, la congestión, fallos en
los nodos, información de encaminamiento errónea, agotamiento de recursos
energéticos, etc, pueden causar pérdidas de paquetes, deteriorando así la calidad
de servicio ofrecida. Hay dos métodos para abordar este problema, el primero es

O.Ortiz - 58 -
incrementar la tasa de envío de la fuente, pero el excesivo gasto energético que
conlleva lo hace prohibitivo en muchas ocasiones, y el segundo es introducir
una recuperación ante pérdidas, método mucho más activo y energéticamente
eficiente. La recuperación ante pérdidas se puede llevar a cabo de dos formas:
§ Notificación y detección de pérdidas. Por ejemplo, dotando a
cada paquete de un número de secuencia para detectar si falta
alguno. Es preferible una detección y notificación salto a salto,
a una punto a punto, ya que solamente dos nodos vecinos serán
los responsables de la detección de pérdidas y pueden activar la
retransmisión local, que es energéticamente mucho más
eficiente que si se hiciera punto a punto. También se puede
identificar la razón de la pérdida del paquete, hecho que se
puede utilizar para mejorar el rendimiento del sistema.
§ Recuperación ante pérdidas basada en retransmisión. La
retransmisión de paquetes perdidos o dañados también puede
hacerse punto a punto o salto a salto.
• Guía de diseño. Según hemos visto, los protocolos de transporte diseñados para
redes inalámbricas de sensores deben tener componentes que incluyan control
de congestión y recuperación ante pérdidas. Ahora bien, hay dos formas de
conseguir esto, la primera sería diseñar protocolos o algoritmos separados para
cada una de esas dos cosas, y la segunda, hacer un diseño completo que
proporcione control de congestión y de pérdidas de forma integrada. La mayoría
de los protocolos utilizan el primer enfoque, por ejemplo, protocolos de control
de congestión son: CODA (Congestion Detection and Avoidance) [Wan2003],
Fusion [Hull2004], CCF (Control and Fairness) [Ee2004], Siphon [Wan2005],
ARC (Adaptive Rate Control) [Woo2004] o Tickle [Levis], mientras que
protocolos que proporcionen fiabilidad de transporte tenemos: PSFQ (Slowly
Fetch Quickly) [Wan2002], RMST (Reliable Multi-Segment Trasnport)
[Stann2005] o RBC (Reliable Bursty Convergecast) [Zhang2005]. Con el

O.Ortiz - 59 -
segundo enfoque tenemos, por ejemplo, el protocolo STCP (Sensor Transmisión
Control Protocol) [Iyer2005], que implementa tanto control de congestión como
fiabilidad en un único protocolo.

Aplicaciones con Requisitos de Calidad de Servicio
O.Ortiz - 60 -
5.- APLICACIONES CON REQUISITOS DE CALIDAD DE SERVICIO
Las primeras aplicaciones que se desarrollaron para redes inalámbricas de sensores
eran de carácter militar, tales como vigilancia de campos de batalla, seguimiento de
enemigos, etc., sin embargo actualmente se están desarrollando todo tipo de aplicaciones
civiles. Dentro de todas estas aplicaciones hay tres sectores en los que se requieren unos
parámetros de calidad de servicio exigentes, el cuidado medioambiental, la salud y la
seguridad y vigilancia. Estudiemos brevemente cada una de ellas:
• Monitorización medioambiental para servicios de emergencia. Permiten
supervisar áreas de hasta cientos de kilómetros cuadrados, obteniendo medidas e
información sobre espacios naturales donde no sería posible hacerlo con otros
métodos. El problema más importante a resolver es la localización detallada de
eventos, teniendo en cuenta la variabilidad del medio debido a fenómenos
atmosféricos o a seres vivos. Estos sistemas están exentos de infraestructura,
deben ser muy robustos, tolerantes a fallos y muy eficientes en cuestiones de
energía. Como resumen, podemos ilustrar lo siguiente:
Figura 23: Aplicaciones de monitorización medioambiental
Características y requisitos
de las aplicaciones de
monitorización
medioambiental
Comunes a
todas las
aplicaciones
Específicas de
cada aplicación
Tolerancia a fallos
Libre de infraestructura
Localización
Eficiencia energética
Coste de producción y mantenimiento reducido
Escalabilidad
Grado de autonomía
Heterogeneidad de sensores
Movilidad
Tiempo real
Seguridad
Sincronización de tiempo

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