WIRELESS SENSOR NETWORKS:Estado del Arte e Investigacin
M. Soledad Escolar Daz
INDICEINTRODUCCIN Data Mining ARQUITECTURA Data Mining TinyOS
OLAP, MOLAP, etc. MIDDLEWARE OLAP, MOLAP, etc. SIMULADORES OLAP,
MOLAP, etc. SITUACIN ACTUAL OLAP, MOLAP, etc. LINEAS FUTURAS OLAP,
MOLAP, etc. REFERENCIAS OLAP, MOLAP, etc.
Introduccin a WSN: caractersticas, aplicaciones, etc.
Arquitectura de una red de sensores inalmbrica Tiny Microthreading
Operative System Soluciones middleware Cmo modelo una WSN si no
tengo HW? Perspectiva, tendencias y desafos. Algo he hecho... ;-)
Referencias bibliogrficas2
INTRODUCCINRedes de sensores inalmbricas Por qu las WSN son
diferentes? Clasificacin de aplicaciones Qu impide avanzar en WSN?
Quin investiga? Y en Espaa?
OVERVIEW Data Mining CARACTERSTICAS OLAP, MOLAP, etc.
APLICACIONES OLAP, MOLAP, etc. PROBLEMAS OLAP, MOLAP, etc. EN LA
ACTUALIDAD OLAP, MOLAP, etc.
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WIRELESS SENSOR NETWORKS El MIT identific en Febrero de 2003 las
10 tecnologas emergentes que cambiarn el mundo: WIRELESS SENSOR
NETWORKS, aparece la primera.
El nmero de empresas que fabrican sensores en un pas, est
considerado como un indicador tecnolgico. La ley de BELL: Aparecer
una nueva tecnologa cada 10 aos
Integracin con otras tecnologas Agricultura, biologa, medicina,
etc
Posibilita aplicaciones antes impensables Interaccin de los
seres humanos con el medio
La ley de Bell
Alrededor del mundo, cientficos e investigadores de gran
renombre se han subido al tren de las WSN
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EN QU CONSISTE UNA WSN?SENSING + CPU + RADIO = Thousand of
potential applications
Miles, millones de dispositivos pequeos, autnomos, distribuidos
geogrficamente, llamados nodos sensores instalados alrededor de un
fenmeno objeto para monitorizarlo, con capacidad de cmputo
(realizar mediciones), almacenamiento y comunicacin en una red
conectada sin cable. Nodos sensores: Integran sensores para
realizar mediciones. LUZ, TEMPERATURA, PRESIN, HUMEDAD, etc.
ENERGA. CAPACIDAD DE CMPUTO MEMORIA RADIO (para enviar/recibir) CPU
(para procesamiento)
Restringidos en:
Uso intensivo de: Sensores baratos (1$ en el 2005) Alta
probabilidad de fallo
Redes desatendidas (sin intervencin humana), con alta
probabilidad de fallo (en los nodos, en la topologa) ,
habitualmente construidas ad-hoc para resolver un problema muy
concreto (es decir, para ejecutar una nica aplicacin).5
ELEMENTOS EN UNA WSN SENSORES: De distinta naturaleza y
tecnologa toman del medio la infamacin y la convierten en seales
elctricas.
NODOS SENSOR: O procesadores de radio, toman los datos del
sensor a travs de sus puertas dedatos, y envan la informacin a la
estacin base.
GATEWAY: Elementos para la interconexin entre la red de sensores
y una red TCP/IP.
ESTACIN BASE: Recolector de datos basado en un ordenador comn o
sistema embebido.
RED INALMBRICA: Tpicamente basada en el estndar 802.15.4
ZigBee.6
MTRICAS DE UNA WSN EVALUACIN WSN TIEMPO DE VIDA COVERTURA COSTE
Y FACILIDAD DE INSTALACIN TIEMPO DE RESPUESTA PRECISIN Y FRECUENCIA
DE LAS MEDICIONES SEGURIDAD EVALUACIN NODO SENSOR ENERGIA
FLEXIBILIDAD ROBUSTEZ SEGURIDAD COMUNICACIN COMPUTACIN
SINCRONIZACIN TAMAO Y COSTE
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APLICACIONES PARA WSN (I)1) MONITORIZACIN DEL ENTORNO
Aplicacin donde un cientfico quiere recoger lecturas de un
entorno inaccesible y hostil en un perodo de tiempo para detectar
cambios, tendencias, etc. Gran nmero de nodos sincronizados
midiendo y transmitiendo peridicamente. Tiempo de vida alto de la
WSN. Sincronizacin precisa en WSN. Topologa fsica relativamente
estable. Sin requerimientos de latencia estrictos (datos para
anlisis futuro no para tiempo real).Foto: Control de
Microclimas
Reconfiguracin de la red infrecuente Ej: control de agricultura,
microclimas, etc.8
APLICACIONES PARA WSN (II)2) MONITORIZACIN DE SEGURIDAD
Aplicacin para deteccin de anomalas u ataques en entornos
monitorizados continuamente por sensores Nodos NO estn
continuamente enviando datos: REPORT BY EXCEPTION Menor consumo de
energa. Importancia del status de un nodo. Requisitos de tiempo
real: importancia de la latencia de las comunicaciones.Foto:
Control de Edificios Inteligentes
Ejemplos: control de edificios inteligentes, detencin de
incendios, aplicaciones militares, etc.9
APLICACIONES PARA WSN (III)3) TRACKING
Aplicacin para controlar objetos que estn etiquetados con nodos
sensores en una regin determinada. A diferencia del resto , la
topologa de la red es muy dinmica, debido al continuo movimiento de
los nodos sensores:Foto: Proyecto ZebraNet
La WSN debe ser capaz de descubrir nuevos nodos y formar nuevas
topologas.
4) REDES HBRIDAS
En general, los escenarios de aplicacin contienen aspectos de
las tres categoras anteriores.10
PROBLEMAS Optimizacin del consumo de energa en los nodos para
lograr el mximo tiempo de vida de la red: La comunicacin es el
primer consumidor de energa. CPU es capaz quedar en estado sleep
mientras no tenga nada que hacer Economizar la distancia de las
comunicaciones. Tcnicas de software: programacin eficiente de lneas
de cdigo
Ancho de banda y cobertura de la red limitados Recursos de
computacin limitados: Memoria CPU
Soluciones ad-hoc para redes ad-hoc Topologa muy dinmica de la
red: Elementos mviles Nodos con alta probabilidad de fallo Nodos
que entran en el sistema Cuantos ms nodos en la red mayor ser el
rendimiento.11
Estrategias HW ahorro de energaProceso de adquisicin y trasmisin
de Datos. Estados del nodo: Sleep: La mayor parte del tiempo.
Wakeup: minimizar este tiempo para pasar rpidamente al estado de
trabajo Active: mnimo perdo de tiempo de trabajo y retorno
inmediato al estado sleep.Tiempo
Consumo
sleep
wakeupEstados de un nodo sensor
12
DISTRIBUCIN DEL CONSUMO DE ENERGA1) RECEPCIN
2) TRANSMISIN
Fuente: Jason Hill (uno de los creadores de TinyOs) en su
tesis13
COMPARACIN DE PLATAFORMAS PARA NODOSWins NG 2.0 Parts cost SIZE
(cm^3) Weight (g) including battery Battery Capactity (Kj)
Sensors$100s 5300 5400
iPAQ$100s 600 350
Berkeley MICA Mote$10s 40 70
Smart Dust10 EPOCH DURATION 30s
De los principios de diseo de middleware a la implementacin UN
ABISMO!!!56
SIMULADORESPosibilidades, capacidades y caractersticas TOSSIM:
Simulador de TinyOS Extensin de ns-2 para WSN: SensorSim ns-2 /
SensorSim Conclusiones sobre simuladores
SIMULANDO WSN Data Mining OLAP, TOSSIM etc. MOLAP, NS-2
(SensorSim OLAP, MOLAP, etc.) CONCLUSIONES OLAP, MOLAP, etc.
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Simulando WSNPor la estructura de las redes de sensores los
aspectos susceptible de simulacin son: Los nodos y su hardware. La
red, su comportamiento y los protocolos asociados. El software
asociado A nivel de aplicacin. A nivel de Sistema Operativo. Tipos
de simuladores: A nivel de nodo (creados especficamente para WSN)
TOSSIM GlomoSim SensorSim Em* A nivel de middleware
http://www.cc.gatech.edu/~wolenetz/files/basenets_04_simdfuse.tar.gz
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SIMULADORES PARA WSN
Integrating Environment Simulators with Network Simulators
Y desde Noviembre del 2005, tambin OMNET++Tuesday, November 15
2005 (Andras) Views: 145 We are happy to announce a new major
release of NesCT, a TinyOS NesC-to-OMNeT++ translator, developed by
Omer Sinan Kaya. Please check out the new NesCT pages on
Sourceforge, or go directly to the downloads -- or read on.Fuente:
http://www.omnetpp.org/article.php?story=2005111514292375559
TOSSIM (TinyOS Simulator) Simulador de eventos discretos para
WSN instaladas con TinyOS. En lugar de compilar una aplicacin sobre
TinyOS para una mote, TOSSIM permite compilarlo para el framework
TOSSIM, el cual ejecuta sobre un PC. Se centra en simular TinyOS y
su ejecucin. Permite simular redes de varios miles de nodos. Todos
los nodos de la simulacin procesarn el mismo programa TinyOS. Como
cualquier solucin de simulacin, realiza ciertas asunciones: TOSSIM
no modela el mundo real. Proporciona abstracciones de ciertos
fenmenos del mundo real (por ejemplo, errores de bit, disipacin de
energa, etc.). Un cdigo que ejecuta en una simulacin puede no
hacerlo en una mote real. Los resultados de TOSSIM son vlidos para
comparar protocolos o algoritmos, pero no deberan considerarse
autoritativos. Todas las seales de radio en la red tienen la misma
fuerza.60
CARACTERSTICAS DE TOSSIM Fidelidad: TOSSIM captura el
comportamiento de TinyOS a muy bajo nivel: Simula la red a nivel de
bit. Simula cada captura ADC. Simula cada interrupcin del sistema.
Tiempo: no modela el tiempo de ejecucin. El reloj se mantiene a una
granularidad de 4Mhz Una pieza de cdigo ejecuta instantneamente.
Modelos: no modela el mundo real pero proporciona abstracciones:
Modelo de radio. Modelo de energa. TOSSIM se construye directamente
desde el cdigo de la aplicacin TinyOS. Red: TOSSIM simula la pila
de protocolos de red de la radio mica.61
ARQUITECTURA DE TOSSIM (I)ARQUITECTURA consta de 5 componentes:
Grafo de componentes de la aplicacin: TinyOS abstrae los recursos
HW y las aplicaciones como componentes. TOSSIM toma esas
abstracciones para emular comportamientos (ACD, clock)
Modelo de ejecucion (Eventos): TOSSIM tiene una cola de
simulacin de eventos. La cola procesa las interrupciones que
controlan la ejecucin de una aplicacin. TOSSIM modela cada
interrupcin como un evento de simulacin. Eventos/comandos pueden
producir nuevos eventos.
Arquitectura del simulador TOSSIM
Abstraccin de componentes Hardware62
ARQUITECTURA DE TOSSIM (II) 2 Modelos principales: Radio:
Permiten simular la radio, colisiones en la WSN. Simple Lossy
ADC : Representan ocurrencia de conversin A/D. Random
generic
Servicios de comunicacin: Dispone de mecanismos de comunicacin
va TCP/IP entre TOSSIM y el PC Arquitectura del simulador
TOSSIM
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TinyVIZ Utilidad grfica hecha en JAVA para la visualizacin de
una simulacin de TOSSIM Incorpora plugins (funcionalidades):
Visualizar trfico de rec. Lecturas ADC Debug messages Por defecto:
Visualiza motes y sus LEDS. Conectar una simulacin TOSSIM a
TinyVizImagen de la visualizacin con TinyViz$cygwin> tinyviz
$cygwin> make pc (Compilar una aplicacin)$cygwin>
app/build/pc/main.exe gui t=30 10
$cygwin> make mica2dot install, 0 (Instarlar en mica2dot)
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ns-2 (Network Simulator version 2) Simulador de eventos
discretos para redes Especializado en simulacin de redes IP a nivel
de paquete. Para redes cableadas y wireless Utiliza un lenguaje de
script orientado a objetos Tcl (Otcl) y libreras de componentes de
red basadas en objetos. Dispone de una herramienta grfica, NAM
(Network Animator) para visualizacin de los resultados. NS-2 Es uno
de los estndar de facto en la simulacin de redes en
investigacin.Event Scheduler Tclcl OTcl library Tcl8.0 ns-2 Network
Component
Arquitectura de ns-2 consta de 5 partes: Scheduler de eventos
discretos Componentes de red. Tclcl: C++ y otcl. OTcl: Soporte de
Orientacin a objetos. Tcl8.0: lenguaje de script.
Arquitectura de ns265
SensorSimNode Function Model Applications Power Model State
Change(Energy Consumers and Providers)
Micro Sensor Node
Middleware Network Protocol Stack Network Layer MAC Layer
Physical Layer Sensor Protocol Stack Sensor Layer Physical
Layer
Radio Model CPU Model
Status Check
Battery Model
Sensor #1 Model
Sensor #2 Model
Wireless Channel
Sensor Channel
Arquitectura de ns266
CONCLUSIONES DE LOS SIMULADORES S, es posible simular una red de
miles de nodos de sensores ejecutando una aplicacin, o un
protocolo. Los dos simuladores ms extensamente utilizados en WSN
son TOSSIM y ns-2 (en algunos casos EM*). A pesar de la existencia
de otros simuladores, ninguno de ellos destaca por su utilizacin
masiva. TOSSIM y ns-2 : Se centran en diferentes aspectos: ns-2 se
centra en la simulacin de nodos y redes a nivel de paquete.
Orientado mas a al simulacin de protocolos y comportamientos.
TOSSIM proporciona una simulacin completa de redes TinyOS a nivel
de bit. Centrado a la simulacin a nivel de aplicacin real, no tanto
a nivel de protocolos.
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SITUACIN ACTUALQu se est haciendo? Qu funciona? Hacia donde
vamos? Qu nos lo impide?
DONDEMining Data ESTAMOS? TENDENCIAS OLAP, MOLAP, etc. PROBLEMAS
OLAP, MOLAP, etc.
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SITUACIN ACTUAL Estamos ante una tecnologa bastante reciente:
Mucho diseo, poco funciona. No existe la killer application
Wireless? Sensor Networks el 99% de las redes de hoy son
cableadas
No existe una tendencia clara: En S.O. En plataforma HW.
Qu nos impide avanzar? Diseo verticalmente integrado que impide
sinergia entre diferentes grupos de investigacin. Falta de
estndares y protocolos comunes. Limitacin de los recursos: energa y
capacidad de CPU, memoria. En palabras de David Culler: the lack of
an overall sensor network architecture
En un futuro: Nanotecnologa, MEMS, acabarn con la limitacin de
recursos como CPU o memoria. Persistir la limitacin de energa69
LINEAS FUTURASQu posibilidad tengo de sacar una tesis? Lneas de
la comunidad investigadora Lneas en las que creo que se podra
entrar (de momento NINGUNA Leer+ leer + leer = IDEA!! )
SEAMOSMining Data REALISTAS LINEAS OFICIALES OLAP, MOLAP, etc.
POSIBLES LINEAS OLAP, MOLAP, etc. NOVEDADES? OLAP, MOLAP, etc. Y
AHORA QU? OLAP, MOLAP, etc.
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SEAMOS REALISTASA FAVOR EN CONTRA
Hay mucho por hacer a todos los niveles: Fsico Computacin:
sistemas operativos, algoritmos distribuidos, middleware, etc.
Comunicacin: protocolos de enrutamiento, mantenimiento de topologa,
descubrimiento de vecinos, etc.
No hay HW para hacer pruebas reales No hay un
equipo/grupo/persona dedicadas a este tema de investigacin en
ARCOS/UC3M.
Existen simuladores que permiten realizar comparaciones de
protocolos, algoritmos, pruebas de rendimiento, etc. Posibilidad de
aplicar las lecciones aprendidas en otros campos al campo de
WSN.71
LNEAS OFICIALES Arquitectura WSN Middleware WSN. Tcnicas para
minimizar la disipacin de energa de un nodo Protocolos de
enrutamiento ptimo Seguridad en WSN Abstraccin de la WSN: WWW,
BBDD, Sistema de FicherosVisin de una WSN como un SF
Mecanismos de asignacin de roles dinmicamente a nodos en una WSN
para algoritmos distribuidos.72
POSIBLES LNEAS Extender el conjunto de funciones de TinyOS
tomando como ejemplo otros S.O. embebidos como QNX, RT-Linux, etc.
Middleware que tenga en cuenta los desafos WSN. Hasta ahora
protocolos address-free tendra sentido un mecanismo de
direccionamiento? Aplicacin de agentes? Aplicacin de actuadores?
Arquitectura comn para obtener aplicaciones distribuidas en WSN? La
idea sera acabar con la etiqueta ad-hoc. Cmo?
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WIRELESS SENSOR NETWORKS:Estado del Arte e Investigacin
M. Soledad Escolar Daz
