Este documento describe las redes de sensores inalámbricas, incluyendo sus características, tipos, aplicaciones y protocolos de enrutamiento. Las redes de sensores se componen de nodos que recolectan datos del entorno y los transmiten a una estación base. Estas redes operan bajo estrictas limitaciones energéticas y de ancho de banda. El documento discute varios protocolos de enrutamiento diseñados específicamente para redes de sensores, como LEACH, que utiliza la formación de clusters para ahorrar energía.

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 Redes inalámbricas
– Redes con infraestructura
– Redes sin infraestructura
 Redes de sensores
 Tipos de aplicaciones
 Medios inalámbricos
 Ventajas y servicios de la red
 Características de las redes de sensores
– Consumo de energía restringido
– Tiempo de vida
 Distintos tipos de funcionamiento
 Algunos protocolos de ruteo
Redes de sensores inalámbricas- 2007

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Redes Inalámbricas
 Las redes inalámbricas (Wireless) pueden
clasificarse en dos grandes grupos:
– Redes con infraestructura
– Redes sin infraestructura (Ad-Hoc)

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Redes con infraestructura

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Redes con infraestructura:
• Constan de un número fijo de enlaces cableados
entre sí. Cada host móvil debe comunicar con uno
de estos enlaces dentro de su radio de acción. El
nodo puede moverse libremente pero si sale fuera
del rango de su enlace, debe conectar con otro para
asegurar que la información llegue a su destino. Un
ejemplo de este tipo de redes es la red de telefonía
móvil formada por numerosas estaciones y antenas
dispersas por todas las ciudades.

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Redes Ad-hoc

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Redes Ad-hoc
• Formadas por hosts móviles y que pueden estar
conectados entre sí arbitrariamente y de manera
dinámica. Es decir, no hay ningún elemento fijo y la
topología de la red puede adoptar múltiples formas
siendo igual de funcional. En este tipo de redes,
todos los nodos funcionan como encaminadores
(routers) y se ven involucrados tanto en el
descubrimiento como en el mantenimiento de rutas.

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Redes de sensores inalámbrica
 Formada por nodos sensores que recolectan información del
ambiente, procesan los datos y los transmiten a una estación
base o nodo sink. Son un tipo de red ad-hoc
• En general el número de sensores es muy grande. Los
nodos son fijos.
• La estructura de la red es cambiante.
• Los nodos sensores, en general, no tienen
identificación.
• Son redes con restricciones en energía y en ancho de
banda.

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Nodo sensor
IEEE Wireless
Communications •
December 2004

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Estación base
 Es un nodo, que puede ser fijo o móvil, con la
capacidad de conectar la red de sensores a
una infraestructura ya existente o a Internet
para que el usuario final utilice los datos.

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Tipos de aplicaciones
• Niveles de contaminación en cursos hídricos
• Monitoreo de la polución ambiental en sectores con
alta densidad de tráfico automotor.
• Monitoreo de posibles incendios en bosques
• Monitoreo de silos para acopio de cereales

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Tipos de aplicaciones
• Monitoreo de la evolución del nivel de ríos y lluvias.
• Control sanitario del ganado vacuno.
• Monitoreo de personas.
• Aplicaciones militares

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Medios inalámbricos
 Microondas terrestres
 Microondas por satélite
 Espectro infrarrojo (IR)
 Transmisión por ondas de luz
 Ondas de radio

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Ventajas de las redes inalámbricas
• Trabajan en entornos donde no es posible realizar
cableado.
•La disposición de los nodos puede ser cambiante.
•Los sensores en general son baratos y es habitual que
existan muchos de ellos en una red.

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Servicios que aporta la red
 Sensar parámetros de interés.
 Supervisión continua del área a estudiar.
 Disponibilidad de datos para estadística.
 Alertas frente a situaciones criticas.

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Características de la red
 Las características de la red de sensores
dependen fuertemente de la aplicación
específica.

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Características de una red de
sensores
 Tolerancia a fallas
 Tiempo de vida
 Calidad de servicio
 Escalabilidad
 Amplio rango de densidad de nodos
 Operación eficiente en energía
 Autoconfiguración
 Colaboración entre nodos y procesamiento
distribuido en la red.
 Ruteo centrado en datos

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Consumo de energía
 Proceso
 Comunicación
Energía finita y generalmente no renovable

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Consumo de energía
Energía finita y generalmente no renovable
Comunicación
Capacidad de proceso distribuida

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Paradigmas de comunicación
 Cualquier nodo a cualquier nodo (redes ad-
hoc)
 Varios nodos a uno ( redes sensores)
 Uno a varios nodos

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Distintas posibilidades de
funcionamiento de la red
La interacción entre el sink y los nodos sensores
determinan distintos tipos de aplicaciones:
Detección de eventos
Medición periódica.
Combinar distintas de estas alternativas

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Distribución de los nodos sensores
 Distribución random
 Distribución fija
 Nodos móviles

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Protocolos de ruteo
Protocolos de ruteo convencionales no son aptos
por el problema de limitación de energía.
Iniciado en la fuente (sink) o en el destino
(nodos).
Directo, varios saltos, clusters directo o multihop.

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Directo vs varios saltos
Conventional Approaches
 Directional vs. multi-hop
 Short system lifetime
Routing and Clustering
Xing Zheng

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Clusters
 Es un grupo de
sensores que se
comunican con un
nodo, llamado
cabecera de cluster,
que es el que
procesa y realiza la
agregación de los
mensajes recibidos.
Hierarchical-Battery Aware Routing in Wireless
Sensor Networks
Ravi Musunuri Jorge A. Cobb

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Algunos protocolos de ruteo
 Spin
 Difusion dirigida
 Leach

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Protocolos basados en la negociación
SPIN (Sensor Protocols for Information
via Negotiation)
Usan descriptores de información para
negociación, antes de transmitir los datos.
Existe toda una familia de protocolos SPIN.

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Tipos de mensajes
ADV : Cuando un nodo SPIN tiene algún dato para
transmitir, envía un mensaje ADV a sus vecinos conteniendo
descriptores del dato.
REQ : Cuando un nodo SPIN desea recibir datos, envía un
mensaje REQ.
DATA : Es el mensaje de datos

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Difusión dirigida
 Es un protocolo de diseminación de datos
reactivo, donde las rutas se calculan cuando
son necesarias. La comunicación la inicia el
nodo sink.
 Se propaga un interés por la red, a partir del
sink. Aquellos que satisfacen el interés envían
datos hacia ese nodo.

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Todos los nodos tienen una cache de intereses.
Cada interés contiene distintos campos, además del
propio interés:
Timestamp:tiempo en que se recibió el interés
Gradient:valoración de los datos dada por cada vecino y
dirección
Duration: tiempo de vida del interés
Difusión dirigida

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 Cuando un nodo recibe un interes:
– Busca en su cache si existe uno que haga
matching:
 Si no existe lo guarda, colocandole un gradiente
(valoración y sentido), asi como timestamp y duración.
 Si existe le actualiza timestamp y duración
Difusión dirigida

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 Un nodo que recibe un interés de un vecino lo
puede reenviar, estableciéndose la difusión en
la red.
 Cuando un nodo detecta un evento, busca en
su cache de interés para ver si tiene algún
interés que haga matching, si lo encuentra
comienza a transmitir a sus vecinos hasta que
el sink determine cual es la mejor ruta a seguir.
Difusión dirigida

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Leach
 Trabaja con clusters.
 La selección del cabecera de cluster se realiza en
forma dinámica mediante algún algoritmo basado en
randomizacion de forma que el drenaje de energía sea
lo más uniforme posible.
 Existe un número optimo de cluster a seleccionar que
tiene relación con la cantidad total de nodos de la red.
(5%)
 Utiliza agregación de datos.

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Agregación
 La agregación es una técnica que permite
ahorrar energía en una red de sensores. Es
una función que debe realizar el cabecera
de clusters antes de enviar hacia el sink el
mensaje consolidado

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Tiempo de vida de la red
Strengths
 Dynamic cluster distribution
 Extend system lifetime

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Aplicaciones

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Aplicaciones en desarrollo
 Great Duck Island. Environmental monitoring. Red de
sensores para observar el comportamiento de una especie
de aves. Berkeley University
 SSIM (artificial retina) [19] Health Image identification,
100 sensors per retina. Michigan University
 Object tracking .Military Collaborative. Zurich
University
 Smart kindergarten: sensor-based wireless networks for
smart developmental problem-solving enviroments.
Universidad de los Angeles

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Referencias
 A taxonomy of wireless micro-sensor networks. Tilak S, Ghazaleh A &
Heinzelman W.
 A Survey on Routing Protocols for Wireless Sensor Networks. Kemal
Akkaya and Mohamed Younis
 A Survey of Application Distribution in Wireless Sensor Networks.
EURASIP Journal onWireless Communications and Networking 2005:5,
774–788. 2005 Mauri Kuorilehto et al.
 A short survey of wireless sensor networks. Holger Karl, Andreas Willig
 Hierarchical-Battery Aware Routing in Wireless Sensor Networks. Ravi
Musunuri Jorge A. Cobb
 Wireless sensor networks: a survey. I.F. Akyildiz, W. Su*, Y.
Sankarasubramaniam, E. Cayirci