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Tendencias actuales y futuras en protocolos de control de acceso
al medio para redes de sensores inalámbricas.
Fernando Royo, Teresa Olivares, Luís Orozco
Instituto de Investigación en Informática de Albacete
Universidad de Castilla-La Mancha
02071 Albacete, España
{froyo| teresa | lorozco} @dsi.uclm.es
Resumen
En poco más de dos años, los trabajos de
investigación sobre las redes inalámbricas de
sensores han avanzado mucho en todas sus líneas
abiertas de mejora. El siguiente artículo persigue
ahondar un poco más en una de estas áreas, en
concreto el acceso al medio de este tipo de redes,
presentando a la comunidad científica por un lado
una visión global de las actuales propuestas de
protocolos de acceso al medio y por otro motivar
y proponer la línea a seguir en el desarrollo de
nuevos protocolos que tengan en cuenta
parámetros significativos, derivados de nuestros
experimentos, como el ahorro de energía, la
pérdida de paquetes, sobre-escucha, colisiones y
otras características propias del medio de
transmisión que acaban siempre repercutiendo en
el gasto energético.
1. Introducción
En la actualidad, un protocolo eficiente para la
capa MAC debe minimizar las denominadas
escucha ociosa del canal y los paquetes que no
van dirigidos a ese nodo. Además, mantener el
medio libre de colisiones, ni sobrecargado con
paquetes de control. La escucha ociosa del canal
es el factor que domina al resto de inconvenientes
en las aplicaciones sobre redes de sensores, y el
punto donde reducir el consumo de energía
sustancialmente mediante el control del estado
activo/inactivo de la radio.
El tiempo ocioso del componente de
comunicación en este tipo de redes ha sido ya muy
nombrado y estudiado en la literatura de este tipo
de comunicaciones, en las que el apagado de la
radio y su posterior encendido para participar en
las comunicaciones sobre el medio parece el punto
clave en el ahorro de energía, siendo objetivo de
simulaciones pero hasta ahora poco llevado a la
práctica.
Además, estudios recientes sobre protocolos
MAC en redes de sensores denotan que no existe
una tendencia clara hacia una única solución
óptima [13]. Sin duda, la investigación en el
acceso al medio es un área interesante, y la
existencia de numerosos protocolos con diferentes
características y requisitos es prueba de ello. La
mayoría de estos protocolos han sido solamente
simulados sin pruebas sobre redes reales.
El siguiente artículo presenta una vista global
de los protocolos existentes actualmente y sus
principales
características,
seguidamente
presentamos las pruebas que nuestro grupo de
investigación ha realizado sobre algunos de estos
protocolos y sobre redes reales, por último la
sección 4 presenta las conclusiones y cierre del
artículos, obtenidas de nuestras pruebas y estudios
sobre los protocolos ya existentes, también expone
nuestras ideas para el diseño de un protocolo que
cubra los problemas encontrados.
2. Antes y después del protocolo B-MAC
El acceso al medio para redes de sensores es un
área de investigación en constante desarrollo, el
protocolo B-MAC ha sido uno de avances
importantes en este mundo de protocolos MAC.
Una buena clasificación de protocolos MAC para
redes inalámbricas de sensores debe distinguir
entre los protocolos existentes antes y después de
la aparición de B-MAC.
Los trabajos se centran en dos direcciones:
protocolos TDMA y basados en contención.
Existen dos clases de protocolos basados en
contención, los que añaden planificación y los que
realizan muestreo del canal. Todos los protocolos
realizan control sobre los ciclos ociosos de la
radio para evitar el consumo de energía en esos
ciclos, además algunos proponen mejoras para
evitar la sobre-escucha o añaden otras mejoras
[10]. La principal ventaja de la planificación es
que el emisor conoce cuando el receptor
permanece a la escucha y esto hace la transmisión
eficiente. La siguiente tabla muestra los
protocolos más importantes de los últimos cinco
años, seguidamente explicaremos las diferencias
más relevantes entre ellos.
NOM
BRE
SMAC
TMAC
WISEMAC
BMAC
ZMAC
UBMAC
BMAC+
SCPMAC
Cranks
haft
A
Ñ
O
20
02
20
03
20
04
20
04
20
05
20
05
20
06
20
06
20
07
UNIVERSI
DAD
CARACTERISTICAS
USC, USA
Planificación fija para el ciclo ocioso
Delft UT,
Holanda
CSEM,
Suiza
Planificación adaptativa para el ciclo ocioso
Muestreo del preámbulo sincronizado
UCB, USA
Muestreo del preámbulo adaptativo (CCA &
LPL)
NCSU,
USA
Protocolo híbrido (TDMA & CSMA)
UM, USA
Sincronización en tiempo con incertidumbre
Pisa, Italia
B-MAC wake-up division del preámbulo
USC, USA
LPL + Planificación
Delft,
Holanda
Planificación en los muestreos del canal.
Ideado para redes densas.
Tabla 1. Protocolos MAC
2.1 S-MAC
S-MAC, Sensor Media Access Control [1, 2], es
un protocolo basado en contención, añade a la
capa MAC gestión del consumo, enlace a nivel de
retransmisión,
eliminación
de
paquetes
duplicados, no presenta el problema del nodo
oculto usando RTS/CTS y estimación de calidad
del enlace. S-MAC duerme periódicamente,
despierta y escucha el canal, y entonces vuelve a
dormir. Está diseñado para operar como “caja
negra” –optimizado para una carga de trabajo
representativa.2.2 T-MAC
Para controlar variaciones de carga durante el
tiempo o localmente aparece T-MAC [5],
introduce un ciclo ocioso adaptativo, finalizando
de forma dinámica la parte activa del mismo. Esto
reduce de forma sustancial el gasto de energía que
se produce en este estado por el nodo. En
escenarios de carga variable T-MAC consume una
quinta parte del consumo de S-MAC.
2.3 WiseMAC
WiseMAC (Wireless Sensor MAC) [5] se basa en
una técnica de muestre, en busca del preámbulo
generado
por
el
emisor,
muestreando
regularmente el medio con el fin de detectar
actividad, manteniendo a la escucha el
componente de radio durante un corto período de
tiempo. Esta técnica denota un muy bajo consumo
de energía cuando el canal esta libre. Como
desventaja, los largos periodos de encendido de la
radio cuando detecta actividad en el canal. La idea
que WiseMAC introduce para evitarlo consiste en
que el emisor aprenda los periodos de muestreo
del canal de los receptores y inicie su transmisión
lo más cercano posible a estos periodos de
muestreo, minimizando así la duración de la radio
encendida de los nodos receptores.
2.4 B-MAC
B-MAC, Berkeley Media Access Control [4],
basado en detección de portadora provee de
interfaces con el fin de obtener un consumo de
energía lo más reducido posible, reducir colisiones
y alta
utilización del canal.
Soporta
reconfiguraciones dinámicas y posee interfaces de
comunicación bidireccional para servicios del
sistema que optimicen la calidad, latencia, o
ahorro de energía [3]. Alberga funcionalidad de
gestión del canal, como gestión de congestión o
asignación de canal libre (CCA), y escucha de
bajo consumo o low power listening (LPL).
2.5 Z-MAC
Z-MAC [6] es un protocolo híbrido que combina
la fuerza de TDMA y CSMA para compensar sus
debilidades. Como CSMA, Z-MAC consigue alta
utilización del canal y baja latencia para
escenarios de baja contención y como TDMA,
consigue alta utilización del canal en escenarios
de alta contención y reduce colisiones entre
vecinos. Posee una fase de configuración en las
que de manera secuencial realiza descubrimiento
de vecinos, asignación de slots y sincronización
del tiempo global, esta configuración no se vuelve
a realizar hasta un cambio significativo en la red.
2.6 UB-MAC
UB-MAC, B-MAC con incertidumbre [7], integra
un nivel de incertidumbre en un esquema
sincronizado para B-MAC, de forma empírica
asegura al menos uno o dos niveles de reducción
de consumo de energía en el transmisor. Trata de
mejorar dos aspectos, por un lado B-MAC trabaja
de forma asíncrona manteniendo períodos de radio
encendida innecesariamente durante el preámbulo,
por otro lado protocolos como S-MAC y T-MAC,
se trabaja de forma síncrona pero es necesario
mucha sobrecarga del canal con el envío de
nuevas frames de sincronización. Los autores lo
evalúan en nodos mica2, en los que los resultados
obtenidos de los análisis empíricos son pasados a
un prototipo evaluado en los motes (solo con tres
nodos).
2.7 B-MAC+
B-MAC+ [9] nace como mejora de B-MAC. La
idea básica es sustituir el preámbulo por un nuevo
patrón que contenga información sobre el tiempo
restante de preámbulo para ese instante. Esta
información la usará el receptor para permanecer
dormido hasta el momento exacto del envío del
paquete. Las pruebas se realizan solo con dos
nodos, un emisor y un receptor. Los resultados
obtenidos muestran el tiempo que la radio deber
permanecer encendida para la recepción de un
paquete, demostrando que B-MAC+ supera a BMAC y como esta técnica reduce el gasto
energético de mantener la radio encendida durante
largos preámbulos.
2.8 SCP-MAC
SCP-MAC, Scheduled Channel Polling [10],
elimina los largos preámbulos usados en LPL para
las transmisiones, además es capaz de trabajar con
ciclos ociosos muy bajos cuando la cantidad de
tráfico es moderada sincronizando la cola de
acceso al medio. Se diseña con dos objetivos
claves: primero, bajar un orden de magnitud los
actuales tiempos de ciclo ocioso de otros
protocolos MAC y segundo, capacidad de
adaptación ante cargas de tráfico variables sobre
la red.
El planificador determina cuando un nodo
debe permanecer a la escucha y cuando debe
dormir. En S-MAC y T-MAC se utilizan
planificadores y sincronización con periódicos
mensajes de control. Un receptor solo escucha
para informar y ser informado de los periodos de
contención entre los nodos que participan en la
transferencia de datos y los cuales tendrán que
permanecer despiertos pasado estos periodos, el
resto del tiempo pueden dormir. La sobrecarga del
canal es debida al planificador y su
mantenimiento. La técnica LPL presente tanto en
WiseMac y B-MAC, con las que los nodos pueden
despertar para verificar y permanecer a la escucha
en caso afirmativo. Los autores de SCP-MAC
denominan a esta técnica channel polling
(refiriéndose con polling al muestreo del canal que
realiza cada nodo en busca de actividad). Los
protocolos que utilizan LPL consumen mucha
menos energía que los basados en planificación
con una carga moderada sobre la red.
Desafortunadamente, estos protocolos basados en
LPL tienen ciertos problemas con el duty cycle
está limitado al 1-2 % debido a la necesidad de
adoptar una determinada frecuencia de muestreo
condicionada con el tamaño del preámbulo
utilizado. Este compromiso entre emisor y
receptor hace estos protocolos muy sensibles a un
buen ajuste entre estos parámetros dependiendo
siempre del numero de nodos que formen la red y
el tráfico que circule por la misma. Por último, se
está avanzando para adaptar LPL a los nuevos
estándares en radio como 802.15.4, en las que la
especificación de la misma limita el tamaño del
preámbulo.
SCP-MAC también usa LPL, aunque, al
contrario que el resto, sincroniza los tiempos de
muestreo del canal entre todos los nodos vecinos
entre sí. La penalización viene en el coste de
mantener un planificador de sincronización, y los
requerimientos para numerosos planificadores.
SCP-MAC distribuye las planificaciones tal cual
lo hace S-MAC: cada nodo envía su planificación
en un paquete SYNC a sus vecinos en cada
periodo de sincronización. La clave está en
descubrir el periodo óptimo de sincronización y el
mínimo pulso de despierto que minimice el
consumo de energía. Los autores han
implementado el protocolo sobre TinyOS para
nodos mica2 con el chip radio CC1000,
comparándolo con LPL como una mejora de esa
capa. Además describen de forma preliminar la
portabilidad a nodos micaZ con el chip de radio
CC2420 soportando IEEE 802.15.4. La mejora de
SCP la suponen muy por encima de la obtenida en
sus comparaciones en radios más rápidas como el
chip CC2420, en las que LPL degrada sus
prestaciones.
2.9 Crankshaft
Crankshaft [11] es un protocolo diseñado
exclusivamente para
redes de
sensores
densamente pobladas. Utiliza sincronización entre
los nodos y compensación en los planificadores
para despertar de los nodos con el fin de combatir
la causa principal de ineficiencia en estas redes: la
sobre-escucha de los nodos vecinos. Se consigue
un buen ahorro de energía utilizando eficientes
planificadores de muestreo del canal y técnicas de
contención. Crankshaft utiliza un planificador de
muestreo del canal muy parecido al que utiliza
SCP-MAC.
3. Pruebas realizadas con protocolos
MAC.
Nuestras pruebas comenzaron probando S-MAC
sobre mica2, debido a su poca flexibilidad y la
aparición de nuevos protocolos decidimos probar
B-MAC, algunos resultados de esta primera
prueba se encuentran en [12].
Realizamos una serie de pruebas en nuestro
instituto, esto nos permitió diferentes protocolos
bajo un punto de vista cross-layer. El consumo de
energía fue el principal objeto de estudio desde el
principio.
Para nuestro experimento se desplego una red
de sensores con el fin de obtener los valores
climatológicos del centro, se denominó como el
proyecto IntellBuilding [14].
Esta aplicación presenta un patrón de tráfico
periódico, pero también estamos trabajando en
aplicaciones con tráfico esporádico e impredecible
como la detección de fuegos, EIDOS [18].
Debido a que el primero de nuestros test, la
batería solo permaneció funcional durante 82
horas, centramos nuestra investigación en el
consumo de energía, en particular en el medio de
transmisión y los protocolos que afectan al
mismo.
Centrándonos en la capa de acceso al medio y
en los diferentes protocolos existentes para redes
de sensores, tales como S-MAC, B-MAC o
WiseMAC [12], con aproximaciones diferentes
para el ahorro de energía. Todos ellos
desarrollados para los motes mica2 (basados en el
chip radio CC1000) [17]. Comenzamos adaptando
B-MAC para los motes micaZ (basados en el chip
radio CC2420) [15].
Se elige B-MAC por ser el protocolo que
reduce la escucha ociosa o idle-listening de
manera más sencilla y flexible mediante la
configuración del tiempo entre ciclos de muestreo,
gracias a interfaces accesibles por el usuario
directamente en su aplicación.
Fig. 1. Estado de la radio usando LPL.
El diseño de B-MAC para el chip de radio
CC1000, hace necesario resumir en la siguiente
tabla las características principales de ambas
tecnologías de radio.
Tabla 2. Resumen de las principales características
de los chip de radio.
Observando la tabla anterior, características
como la encriptación o la velocidad dan cierta
ventaja al chip radio CC2420 sobre el CC1000,
pero el hecho de que el chip de radio CC2420
cumpla el estándar IEEE 802.15.4 limita en
ciertos aspectos. Por ejemplo el preámbulo es
fijado por el estándar. Este es el problema
principal para la portabilidad de B-MAC al chip
CC2420.
Nuestra propuesta, bajo las recomendaciones
del creador del protocolo, se basa en, si el emisor
no es capaz de prolongar su preámbulo para la
total recepción del paquete por parte del receptor,
que sea el receptor, el que ante la llegada de un
paquete, mantenga la radio encendida para la total
recepción del paquete (ver Figura 3). Esta es la
principal idea ante el problema del preámbulo,
pero también fue necesario implementar el resto
de la interfaz.
de transmisión fijado a 4 (1200 ms radio on, 1100
ms radio off).
 Prueba 4: misma configuración de la prueba 2,
utilizando la nueva funcionalidad de B-MAC para
micaz usando modo de escucha fijado a 5 y modo
de transmisión fijado a 3 (2500 ms radio on, 900
ms radio off).
3.1 Resultados
Una vez obtenidos los resultados en tiempo de
vida de la red, podemos evaluar el ahorro de
energía conseguido con nuestra adaptación de BMAC. Se obtienen buenos resultados en los
modos probados, más acrecentados cuando el
modo de escucha implica un tiempo entre
muestreos varias veces superior al propio tiempo
invertido en el muestreo del canal. La Figura 4
muestra gráficamente los resultados obtenidos.
Fig. 2. Tiempo On-off.
Además se incorpora un mecanismo para
forzar el estado de encendido de la radio
habilitando a las capas superiores control sobre la
radio. Nuestro objetivo es probar la mejora usando
B-MAC y nuestra propia aplicación. Se diseñó un
conjunto de pruebas para evaluar el tiempo de
vida de la red, trabajando todas las pruebas bajo
mismas condiciones en cuanto a topología y
periodo de envío.
 Prueba 1: Utilizando una aplicación de
Crossbow suministrada con MoteView. Definida
para la placa sensora MTS400 y los motes micaz.
Esta aplicación envía cada 8 segundos, con todos
los datos de la placa sensora con el estándar
802.15.4 por defecto.
 Prueba 2: Nuestra propia aplicación. Envía un
paquete cada 8 segundos, solo temperatura y
humedad capturadas de la placa sensora. Utiliza
protocolo de enrutamiento multihop y estándar
802.15.4 por defecto.
 Prueba 3: misma configuración de la prueba 2,
utilizando la nueva funcionalidad de B-MAC para
micaz usando modo de escucha fijado a 3 y modo
Fig. 4. Tiempo de vida de la red IntellBuilding
La estación base recibe todos los paquetes y
ellos nos permite analizar con más profundidad
datos como la perdida de paquetes, o
reconfiguraciones de la misma o los tiempos de
vida de cada nodo por separado. (ver Figura 5 y
Figura 6)
Fig. 5. Pérdida de paquetes por nodo
Fig. 6. Tiempo de vida por nodo
La Figura 5 muestra la tasa de perdidas por
nodo y prueba, las técnicas de multihop en el
routing decrementan la pérdida de paquetes por
nodo, mucho más significantemente en los
paquetes cercanos a la estación base, aún así se
denotan demasiadas perdidas de paquetes. Estas
pérdidas pueden ser un punto crítico en
aplicaciones en las que la fiabilidad debe ser alta.
Las altas tasas de pérdida de paquetes o su escaso
tiempo de vida en los nodos 9 y 10 es debido a un
fallo en hardware de los mismos, que les hace
consumir un 200% más de la energía del resto de
nodos. La figura 6 muestra el alargamiento que
suponen en tiempo de vida para los nodos al
aplicar las mejoras que introduce nuestra
aproximación a B-MAC.
CC2420 es un chip de radio a nivel de paquete,
sin posibilidad de acceder a nivel de bit al medio.
La radio genera automáticamente un preámbulo
para cada paquete que inyecta tal cual lo dicta el
estándar 802.15.4. Aunque estamos ante un chip
de radio más potente, comparado con el anterior
CC1000, en cuando a caudal de transmisión, la
fijación de este preámbulo a 4 bytes por defecto lo
vuelve ineficiente ante técnicas como la que nos
hemos planteado, llevándonos a altas tasas de
perdidas al haber momentos de la vida de la red en
los que el emisor no coincide dentro del intervalo
de radio encendida del receptor perdiéndose de
esta manera el paquete de dicha transmisión.
4. Conclusiones
El trabajo desarrollado en este artículo nos
permite obtener una serie de conclusiones a tener
en cuenta en el diseño de futuros protocolos MAC
para este tipo de redes. El conjunto de protocolos
actuales se encargan en su mayoría de resolver
alguno de los problemas puntuales que este tipo
de acceso al canal presenta, tales como escucha
ociosa, sobre-escucha, colisiones, etc. Será
necesario por tanto crear nuevos protocolos que
traten de resolver todos estos inconvenientes y que
cubran otros aspectos tales como su
implementación multiplataforma, que aproveche
las características de los nuevos chips de radio,
pero que mantengan su funcionalidad en la
mayoría de ellos. También caminar hacia una
estandarización que haga partir de un mismo
punto a todas las líneas de investigación abiertas.
Nuestra propuesta, parte como eje central,
habiendo estudiado muchos de los mejores
protocolos hasta ahora existentes, de un algoritmo
síncrono que nos permita mantener cierto nivel de
sincronismo entre los nodos de la red, con lo que
reduciremos al máximo el ciclo ocioso de la radio
y además nos permitirá establecer una serie de
rutas con lo que conseguiremos una arquitectura
cross-layer fusionando la capa MAC con la capa
de red, punto también perseguido por los
investigadores actuales en
este campo.
Llevándonos todas estas mejoras a repercutir
finalmente sobre el tiempo de vida de la red,
punto crítico en nuestros experimentos.
5. Trabajos futuros
Nuestro grupo de investigación en esta área
trabaja en diversas líneas de estudio sobre redes
de sensores inalámbricas. Por un lado, estamos
diseñando y implementando un nuevo protocolo
MAC basado en sincronismo y con el que a priori
se solventaran la mayoría de problemas existentes
en este tipo de redes, tales como las colisiones,
sobre-escucha, escucha ociosa, etc. Además,
estamos trabajando en el desarrollo de un
algoritmo de asignación de roles, con el fin de
mejorar las características de la red como
balanceo de la carga y el tiempo de vida de la
misma.
También estamos investigando en
protocolos de enrutamiento habiendo obtenido
importantes resultados en redes multihop.
Referencias
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