Protocolo de encaminamiento distribuido basado en clusters para redes de sensores submarinas inalámbricas.

Las redes de sensores submarinas inalámbricas presentan muchos desafíos debido a las propiedades de los entornos submarinos, tales como largos retardos de propagación, movilidad de nodos y ancho de banda limitado. Resulta indispensable diseñar protocolos de encaminamiento eficientes con respecto a la energía porque los nodos sensores se alimentan de baterías difíciles de cargar o sustituir. La mayoría de los protocolos de redes de sensores terrestres no pueden ser aplicados porque han sido diseñados para redes estacionarias y los protocolos para redes ad-hoc existentes no funcionan porque utilizan técnicas de inundación o intercambio continuo de mensajes de encaminamiento. Se propone un protocolo de encaminamiento sin GPS que minimiza el intercambio de mensajes de encaminamiento y usa agregación de datos. Asume movilidad de nodos y compensa los retardos de propagación usandoavances temporales combinado con tiempos de guardia

Protocolo de encaminamiento distribuido basado en clusters para redes de sensores submarinas inalámbricas.

Sector de la técnica

La siguiente invención consiste en un protocolo de encaminamiento distribuido basado en clusters para redes de sensores submarinas inalámbricas (Underwater Wireless Sensor Networks, UWSNs). Se encuadra en el sector técnico del diseño y evaluación de protocolos de redes en el área de la ingeniería telemática.

Estado de la técnica

La mayoría de los protocolos de encaminamiento propuestos para redes de sensores terrestres no pueden ser aplicados con éxito en redes de sensores submarinas inalámbricas porque han sido diseñados para redes estacionarias y frecuentemente utilizan técnicas basadas en inundación de paquetes (flooding).

Los protocolos de encaminamiento para redes ad-hoc multisalto no son adecuados porque se basan en un intercambio continuo de mensajes de señalización (encaminamiento ad-hoc proactivo) o usan un procedimiento de descubrimiento de ruta basado en la técnica de inundación (encaminamiento ad-hoc reactivo); estos mecanismos son ineficientes en redes submarinas a gran escala porque consumen unos recursos excesivos en cuanto a ancho de banda y energía. Por otro lado, los protocolos de encaminamiento ad-hoc basados en la geografía no pueden ser actualmente aplicados a entornos submarinos porque no está claro como los nodos sensores pueden obtener información precisa sin realizar un consumo excesivo de potencia; GPS (Global Positioning System) no resulta de ayuda para alcanzar este propósito, pues usa ondas radar en la banda de los 1,5 GHz y estas ondas no se propagan en agua marina.

Para evitar los inconvenientes de estos mecanismos, la titular de la presente invención, Dra. Mari Carmen Domingo Aladrén, ha desarrollado un nuevo protocolo de encaminamiento distribuido basado en clusters, cuyas características fundamentales son las siguientes:

El protocolo de encaminamiento desarrollado tiene en cuenta la conservación de la energía, se ha diseñado para aplicaciones de monitorización acuáticas a largo plazo y no críticas temporalmente, y no necesita para su correcto funcionamiento soportar GPS. Este protocolo de encaminamiento no usa técnicas de inundación, minimiza el intercambio de mensajes proactivo y usa agregación de datos para eliminar la información redundante antes de que sea transmitida hacia la estación base (sink).

Se propone el utilizar TDMA (Time-Division Multiple Access) y CDMA (Code Division Multiple Access) con DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) usando códigos pseudo-ortogonales para la comunicación dentro de un clúster y sólo CDMA con DSSS usando códigos pseudo-ortogonales en todos los demás procesos de comunicación. Los clusters adyacentes a otro clúster usan diferentes códigos de ensanchamiento (spreading) y la reutilización espacial de los códigos proporciona escalabilidad. De esta forma se elimina la interferencia dentro de un clúster y se reduce la interferencia entre clusters. Además, nuestro protocolo de encaminamiento compensa los altos retardos de propagación del medio acuático usando un avance temporal (timing advance) continuamente ajustado combinado con tiempos de guardia (guard times) para minimizar las pérdidas de datos y mantener la calidad de las comunica- ciones.

Descripción detallada de la invención

A. Arquitectura del protocolo

En esta sección se introduce un nuevo protocolo de encaminamiento adaptativo y capaz de organizarse a sí mismo que forma clusters usando un algoritmo distribuido.

Para lograr desarrollar este protocolo, se han realizado una serie de suposiciones sobre los nodos de sensores submarinos y el modelo de red subyacente:

1) Los nodos de sensores submarinos se mueven aleatoriamente.

2) Todos los nodos de sensores submarinos están restringidos en energía y tienen diferentes capacidades de batería máximas.

3) Los nodos de sensores submarinos siempre disponen de datos listos para ser enviados a la estación base. Todos los nodos tienen capacidades similares de cálculo y procesamiento, y son capaces de realizar funciones de procesamiento de señal.

4) Todos los nodos de sensores submarinos pueden realizar control de potencia para ajustar su potencia de transmisión.

La primera suposición motiva la necesidad de diseñar un nuevo protocolo de encaminamiento que sea robusto frente a la rotura de un enlace por causa de la movilidad. Las suposiciones segunda y tercera motivan la necesidad de desarrollar un protocolo de encaminamiento que tenga en cuenta la conservación de la energía.

El funcionamiento de este protocolo de encaminamiento se ilustra en la Fig. 1. Los nodos se organizan a sí mismos en clusters locales y un nodo es seleccionado como cluster-head único para cada clúster. Todos los nodos no cluster-heads transmiten sus datos a su cluster-head en un solo salto, mientras que el nodo cluster-head recibe datos de todos los miembros del clúster, realiza funciones de procesado de señal sobre los datos (por ejemplo, agregación de datos) y transmite estos datos a la fuente (por medio de otros cluster-heads que actúan como nodos intermedios) usando encaminamiento multisalto. Los nodos próximos el uno al otro procesan muy frecuentemente datos correlados porque monitorizan el mismo fenómeno y con la ayuda de las técnicas de agregación los datos efectivos no redundantes pueden ser extraídos por el cluster-head y enviados a la estación base. Así se ahorra energía. Los cluster-heads son responsables de la coordinación entre nodos dentro de los clusters y la comunicación entre sí.

Este protocolo de encaminamiento incorpora rotación aleatoria del cluster-head entre los sensores para evitar agotar la batería de cualquier sensor submarino que pertenezca a la red. De esta forma, se distribuye tanto el consumo de energía como la carga de tráfico.

La operación de este protocolo de encaminamiento se divide en rondas (véase la Fig. 2). Todos los clusters se forman durante la fase de establecimiento o proceso de creación de clusters y la transferencia de datos tiene lugar durante la fase estable o fase de operación de red.

Durante la fase de operación de red varias tramas son enviadas al cluster-head; una trama está formada por varios mensajes de datos que los nodos no cluster-heads envían al cluster-head usando una planificación (schedule) (cada sensor no cluster-head envía un mensaje de datos consumiendo un tiempo de slot). Más tarde, ambas fases son repetidas periódicamente. Debe asegurarse que la fase de operación de red es larga comparada con el proceso de creación de clusters para minimizar la señalización y mejorar el rendimiento del protocolo de encaminamiento.

B. Algoritmo de selección de cluster-heads

El algoritmo de selección de cluster-heads permite elegir un cierto número de cluster-heads durante el proceso de creación de clusters.

La selección de cluster-head se basa en dos parámetros:

Un parámetro principal (energía residual del nodo) se usa para seleccionar un grupo inicial de cluster-heads, y un parámetro secundario (coste) se usa para casos conflictivos. Se produce un caso conflictivo cuando dos nodos dentro del mismo rango el uno respecto del otro, anuncian su voluntad de convertirse en cluster-heads.

Un nodo inicialmente establece su probabilidad de convertirse en cluster-head de la siguiente forma:

donde C_i representa el nivel de batería actual (energía residual del nodo), y C_MAX representa la capacidad de batería máxima. C_prob es una fracción pequeña constante usada para establecer un porcentaje inicial de cluster-heads, limitando así el número de nodos que se proclama a sí mismo como cluster-heads. No se permite que CH_prob sea inferior a una pequeña probabilidad denominada p_min esta restricción es necesaria para aumentar la probabilidad de que algunos nodos se proclamen cluster-heads incluso si los niveles de batería de todos los sensores son escasos para asegurar que el protocolo de encaminamiento continuará funcionando correctamente.

El segundo parámetro, llamado coste, es una estimación del coste de comunicación, el cual es una función de la distancia entre fuente y destino. Cada nodo no cluster-head...

1. Protocolo de encaminamiento distribuido, basado en clusters, para redes de sensores inalámbricas submarinas, que organiza la red en clusters y selecciona un cluster-head para cada clúster caracterizado por:

2. Protocolo de encaminamiento según la reivindicación 1, caracterizado por usar agregación de datos para eliminar la información redundante antes de que sea transmitida hacia la estación base (sink).

3. Protocolo de encaminamiento según reivindicaciones anteriores caracterizado por utilizar TDMA (Time-Division Multiple Access) y CDMA (Code Division Multiple Access) con DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) usando códigos pseudo-ortogonales para comunicación dentro de un clúster y sólo CDMA con DSSS usando códigos pseudo-ortogonales en todos los demás procesos de comunicación. Los clusters adyacentes a otro clúster usan diferentes códigos de ensanchamiento (spreading) y la reutilización espacial de los códigos proporciona escalabilidad.

4. Protocolo de encaminamiento según reivindicaciones anteriores caracterizado por compensar los altos retardos de propagación del medio acuático usando un avance temporal (timing advance) continuamente ajustado combinado con tiempos de guardia (guard times).