Mejora de las prestaciones en protocolos MAC para redes inalámbricas de sensores

Resumo

El campo de aplicación de las redes inalámbricas de sensores es cada vez más extenso, convirtiendo este tipo de redes en una de las más prometedoras en expectativas de futuro. Al igual que toda tecnología innovadora, presentan ciertos problemas derivados de las limitaciones de los nodos que componen la red. Estos problemas van asociados a la capacidad de procesamiento, almacenamiento, energía o ancho de banda, entre otras. De esta forma, los protocolos y algoritmos diseñados para trabajar en este tipo de redes deben cumplir ciertos requerimientos de eficiencia, como pueden ser el tiempo de respuesta, la calidad de servicio o el consumo energético. Los proyectos desarrollados por nuestro laboratorio con redes reales nos permitieron identificar problemas en el funcionamiento de los protocolos de comunicación utilizados, que afectaban principalmente al consumo de energía y el rendimiento de las comunicaciones. Tras el análisis exhaustivo de los resultados obtenidos en estos despliegues, se identificó la necesidad de optimizar el mecanismo de acceso al medio utilizado ya que carecía de eficiencia en diversos aspectos y tenía especial importancia en el consumo energético de los nodos y en la recogida con éxito de los datos finales. El conjunto de protocolos de acceso al medio para redes inalámbricas de sensores existentes en la literatura es inmenso, cubriendo cada uno de ellos ciertos aspectos o características a optimizar, pero ninguno de ellos había sido desarrollado siguiendo una visión cross-layer que aprovechara el flujo de información entre capas y optimizara el consumo de energía de acuerdo a esta comunicación. Con ese objetivo se desarrolló SA-MAC (Synchronous Awake-MAC), consiguiendo un protocolo basado principalmente en TDMA (Time Division Multiple Access), pero en el cual se comparte información con la capa física para la gestión eficiente de la energía disponible en el nodo desde la capa MAC (Control de Acceso al Medio). Con el fin de mejorar el rendimiento de esta primera propuesta, se diseña un algoritmo de resolución de colisiones incorporándolo directamente a la lógica de funcionamiento de SAMAC, consiguiendo una mejora considerable en el tiempo de configuración de la red. Este algoritmo se bautizó como 2C-WSN (Two Cells Wireless Sensor Network), y se basa en la resolución de la colisión de forma iterativa y decremental, con el uso de una componente aleatoria a la hora de reintentar la transmisión. El éxito conseguido con este algoritmo nos animó a incorporarlo al estándar IEEE 802.15.4, con ligeras modificaciones y llamando a esta propuesta 2CS-WSN (Two Cells Sorted Wireless Sensor Network), consiguiendo resultados sorprendentes en el tiempo de formación de la red y fiabilidad a la hora resolver la colisión. Por último, y siguiendo el objetivo de mejorar las prestaciones de la capa de acceso al medio en redes inalámbricas de sensores, centramos nuestra atención en cómo el estándar IEEE 802.15.4, y más concretamente su definición de capa MAC, puede dar soporte a las BANs (Body Area Network), como caso especial de red de sensores inalámbrica. Consiguiendo dar soporte a las mismas, y adaptando una mejora basada en transmisión oportunística que mejora el rendimiento de la capa de acceso al medio de forma significativa.