Red de sensores inalámbricos móviles

Una red móvil de sensores inalámbricos ( MWSN ) ^{[ 1 ]} puede definirse simplemente como una red de sensores inalámbricos (WSN) en la que los nodos sensores son móviles. Las MWSN son un campo de investigación emergente y más pequeño en contraste con su predecesora bien establecida. Las MWSN son mucho más versátiles que las redes de sensores estáticas, ya que pueden implementarse en cualquier escenario y adaptarse a cambios rápidos de topología . Sin embargo, muchas de sus aplicaciones son similares, como la monitorización ambiental o la vigilancia . Comúnmente, los nodos constan de un transceptor de radio y un microcontrolador alimentado por una batería , así como algún tipo de sensor para detectar luz , calor , humedad , temperatura , etc.

En términos generales, existen dos conjuntos de desafíos en las MWSN: hardware y entorno. Las principales limitaciones de hardware son la energía limitada de la batería y los requisitos de bajo costo. La energía limitada implica que es importante que los nodos sean energéticamente eficientes. Las limitaciones de precio a menudo exigen algoritmos de baja complejidad para microcontroladores más simples y el uso de una radio simplex . Los principales factores ambientales son el medio compartido y la topología variable. El medio compartido exige que el acceso al canal se regule de alguna manera. Esto se suele hacer mediante un esquema de control de acceso al medio (MAC), como el acceso múltiple con detección de portadora (CSMA), el acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) o el acceso múltiple por división de código (CDMA). La topología variable de la red proviene de la movilidad de los nodos, lo que significa que las rutas de múltiples saltos desde los sensores hasta el sumidero no son estables.

Actualmente no existe un estándar para las MWSN, por lo que a menudo se toman prestados protocolos de las MANET, como el enrutamiento basado en asociatividad (AR), el enrutamiento vectorial de distancia bajo demanda ad hoc (AODV), el enrutamiento de origen dinámico (DSR) y el enrutamiento perimetral sin estado voraz (GPSR). ^{[ 2 ]} Se prefieren los protocolos MANET porque pueden funcionar en entornos móviles, mientras que los protocolos WSN a menudo no son adecuados.

La selección de topología juega un papel importante en el enrutamiento porque la topología de la red decide la ruta de transmisión de los paquetes de datos para llegar al destino correcto. En este caso, ninguna topología (plana/no estructurada, clúster, árbol, cadena e híbrida) es viable para una transmisión de datos confiable en la movilidad de los nodos sensores. En lugar de una topología única, la topología híbrida juega un papel vital en la recopilación de datos y su rendimiento es bueno. Los esquemas de gestión de topología híbrida incluyen el Árbol de Recopilación de Datos Independiente del Clúster ( CIDT ) ^{[ 3 ]} y el Árbol de Clúster Velocity Energy-efficient and Link-aware ( VELCT ) ^{[ 4 ]} , ambos propuestos para redes de sensores inalámbricas móviles (MWSN).

Dado que estas redes carecen de una topología fija, uno de los mayores desafíos reside en el enrutamiento de datos desde su origen hasta su destino. Generalmente, estos protocolos de enrutamiento se inspiran en dos campos: las redes de sensores inalámbricas ( WSN) y las redes móviles ad hoc (MANET). Los protocolos de enrutamiento de WSN proporcionan la funcionalidad necesaria, pero no pueden gestionar la alta frecuencia de cambios de topología. Por otro lado, los protocolos de enrutamiento de MANET pueden gestionar la movilidad en la red, pero están diseñados para la comunicación bidireccional, que en las redes de sensores a menudo no es necesaria. ^{[ 5 ]}

Los protocolos diseñados específicamente para MWSN son casi siempre de múltiples saltos y, a veces, adaptaciones de protocolos existentes. Por ejemplo, Angle-based Dynamic Source Routing (ADSR) ^{[ 6 ]} es una adaptación del protocolo de red de malla inalámbrica Dynamic Source Routing (DSR) para MWSN. ADSR utiliza información de ubicación para calcular el ángulo entre el nodo que pretende transmitir, los posibles nodos de reenvío y el sumidero. Esto se utiliza para asegurar que los paquetes siempre se reenvíen hacia el sumidero. Asimismo, el protocolo Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) para WSN se ha adaptado a LEACH-M (LEACH-Mobile) ^{[ 7 ]} para MWSN. El principal problema de los protocolos jerárquicos es que los nodos móviles tienden a cambiar frecuentemente entre clústeres, lo que puede generar una gran sobrecarga debido a que los nodos deben reasociarse regularmente con diferentes cabeceras de clúster.

Otra técnica de enrutamiento popular consiste en utilizar la información de ubicación de un módulo GPS conectado a los nodos. Esto se observa en protocolos como el Enrutamiento Basado en Zonas (ZBR) ^{[ 8 ]} , que define clústeres geográficamente y utiliza la información de ubicación para mantener a los nodos actualizados con el clúster al que pertenecen. En comparación, el Enrutamiento Geográficamente Oportunista (GOR) ^{[ 9 ]} es un protocolo plano que divide el área de la red en cuadrículas y luego utiliza la información de ubicación para reenviar datos de forma oportunista lo más lejos posible en cada salto.

Los protocolos multipath proporcionan un mecanismo robusto para el enrutamiento y, por lo tanto, parecen una dirección prometedora para los protocolos de enrutamiento de MWSN. Uno de estos protocolos es el protocolo multipath trenzado centrado en datos (DCBM) basado en consultas. ^{[ 10 ]}

Además, Robust Ad-hoc Sensor Routing (RASeR) ^{[ 11 ]} y Location Aware Sensor Routing (LASeR) ^{[ 12 ]} son ​​dos protocolos diseñados específicamente para aplicaciones MWSN de alta velocidad, como las que incorporan UAVs. Ambos aprovechan el enrutamiento multipath , que se facilita mediante una técnica de "reenvío ciego". El reenvío ciego simplemente permite que el nodo transmisor difunda un paquete a sus vecinos, y es responsabilidad de los nodos receptores decidir si deben reenviar el paquete o descartarlo. La decisión de reenviar o no un paquete se toma utilizando una métrica de gradiente a nivel de red, de modo que los valores de los nodos transmisores y receptores se comparan para determinar cuál está más cerca del sumidero. La diferencia clave entre RASeR y LASeR radica en la forma en que mantienen sus métricas de gradiente; RASeR utiliza la transmisión regular de pequeños paquetes de baliza, en los que los nodos difunden su gradiente actual. En cambio, LASeR se basa en aprovechar la información de ubicación geográfica que ya está presente en el nodo sensor móvil, lo cual probablemente sea el caso en muchas aplicaciones.

Existen tres tipos de técnicas de control de acceso al medio (MAC): basadas en división de tiempo , división de frecuencia y división de código . Debido a su relativa facilidad de implementación, la opción más común es la basada en división de tiempo, estrechamente relacionada con el popular protocolo CSMA/CA . La gran mayoría de los protocolos MAC diseñados para redes de sensores inalámbricas móviles (MWSN ) se adaptan de protocolos MAC existentes para redes de sensores inalámbricas (WSN) y se centran en esquemas de bajo consumo energético y ciclo de trabajo.

Los protocolos diseñados para redes de sensores inalámbricas móviles (MWSN) suelen validarse mediante análisis, simulaciones o resultados experimentales. Los análisis detallados son de naturaleza matemática y proporcionan buenas aproximaciones del comportamiento del protocolo. Las simulaciones, que se pueden realizar con software como OPNET , NetSim y ns2 , son el método de validación más común. Estas simulaciones ofrecen aproximaciones cercanas al comportamiento real de un protocolo en diversos escenarios. Los experimentos físicos son los más costosos y, a diferencia de los otros dos métodos, no requieren suposiciones. Esto los convierte en la fuente de información más fiable para determinar el rendimiento de un protocolo en determinadas condiciones.

La ventaja de permitir que los sensores sean móviles aumenta el número de aplicaciones más allá de aquellas para las que se utilizan redes de sensores inalámbricas estáticas. Los sensores se pueden acoplar a diversas plataformas:

• Gente
• Animales
• Vehículos autónomos
• Vehículos no tripulados
• Vehículos tripulados

Para caracterizar los requisitos de una aplicación, se puede categorizar como monitoreo constante, monitoreo de eventos, mapeo constante o mapeo de eventos. ^{[ 1 ]} Las aplicaciones de tipo constante se basan en el tiempo y, como tales, los datos se generan periódicamente, mientras que las aplicaciones de tipo evento se basan en eventos y, por lo tanto, los datos solo se generan cuando ocurre un evento. Las aplicaciones de monitoreo se ejecutan constantemente durante un período de tiempo, mientras que las aplicaciones de mapeo generalmente se implementan una sola vez para evaluar el estado actual de un fenómeno. Ejemplos de aplicaciones incluyen el monitoreo de la salud, que puede incluir frecuencia cardíaca, presión arterial, etc. ^{[ 13 ]} Esto puede ser constante, en el caso de un paciente en un hospital, o basado en eventos, en el caso de un sensor portátil que informa automáticamente su ubicación a un equipo de ambulancia en caso de emergencia. Los animales pueden tener sensores conectados para rastrear sus movimientos para patrones de migración, hábitos de alimentación u otros fines de investigación. ^{[ 14 ]} Los sensores también pueden conectarse a vehículos aéreos no tripulados (UAV) para vigilancia o mapeo ambiental. ^{[ 15 ]} En el caso de búsqueda y rescate con ayuda de UAV autónomos, esto se consideraría una aplicación de mapeo de eventos, ya que los UAV se despliegan para buscar en un área pero solo transmitirán datos cuando se haya encontrado a una persona.

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