Raul E. Cardozo

Delia Cardozo Campuzano

Las redes de sensores están formadas por un grupo de sensores con ciertas capacidades sensitivas y de comunicación inalámbrica los cuales permiten formar redes ad hoc sin infraestructura física preestablecida ni administración central. Esta clase de redes se caracterizan por su facilidad de despliegue y por ser auto-configurable, pudiendo convertirse en todo momento en emisor, receptor, ofrecer servicios de encaminamiento entre nodos sin visión directa, así como registrar datos referentes a los sensores locales de cada nodo. Otra de sus características es su gestión eficiente de la energía, que les permite obtener una alta tasa de autonomía que las hacen plenamente operativas.

La primera de estas redes fue desarrollada por Estados Unidos durante la guerra fría y se trataba de una red de sensores acústicos

desplegados en el fondo del mar cuya misión era desvelar la posición de los silenciosos submarinos soviéticos, el nombre de esta red era SOSUS (Sound Surveillance System). Paralelamente a ésta, también EE.UU. desplegó una red de radares aéreos a modo de sensores que

han ido evolucionando hasta dar lugar a los famosos aviones AWACS, que no son más que sensores aéreos.

Los nodos sensores se encuentran normalmente esparcidos en un campo sensor.

Cada uno de estos nodos sensores esparcidos por la red tiene capacidad tanto para recolectar datos, como para enrutarlos hacia el nodo recolector (sink node) mediante una arquitectura ad hoc de múltiples saltos.

El nodo recolector puede comunicarse con el nodo administrador (gestor de tareas) vía Internet, vía satélite o de forma directa.

Las redes de sensores tienen una serie de características propias y otras adaptadas de las redes Ad-Hoc:

Variabilidad del canal: El canal radio es un canal muy variable en el que existen una serie de fenómenos como pueden ser la atenuación, desvanecimientos rápidos, desvanecimientos lentos e interferencias que puede producir errores en los datos.

No se utiliza infraestructura de red: Una red sensora no tiene necesidad alguna de infraestructura para poder operar, ya que sus nodos pueden actuar de emisores, receptores o enrutadores de la información.

Tolerancia a errores: Un dispositivo sensor dentro de una red de sensor tiene que ser capaz de seguir funcionando a pesar de tener errores en el sistema propio.

Topología: El despliegue de un gran número de nodos densamente distribuidos precisa de un mantenimiento y gestión de la topología cuidadosos.

Se pueden dividir las tareas de mantenimiento y cambio de la topología en tres fases:

1. Pre-despliegue y despliegue: Los nodos sensores pueden ser arrojados en masa o colocados uno por uno en el campo sensor.

2. Post-despliegue: Después del despliegue, los cambios de topología son debidos a cambios en la posición de los nodos sensores, accesibilidad (debido a interferencias intencionadas (jamming), ruido, obstáculos móviles, etc), energía disponible, funcionamiento defectuoso y detalles de las tareas encomendadas.

1. Despliegue de nodos adicionales: Nodos sensores adicionales

pueden ser desplegados en cualquier momento para reemplazar nodos defectuososo debido a cambios en la dinámica de las tareas.

Comunicaciones multisalto o broadcast: En aplicaciones sensoras siempre es característico el uso de algún protocolo que permita comunicaciones multi-hop, aunque también es muy común utilizar mensajería basada en broadcast.

Consumo energético: Es uno de los factores más sensibles debido a que tienen que conjugar autonomía con capacidad de proceso, ya que actualmente cuentan con una unidad de energía limitada. Un nodo sensor tiene que contar con un procesador de consumo ultra bajo así como de un transceptor radio con la misma característica, a esto hay que agregar un software que también conjugue esta característica haciendo el consumo aún más restrictivo.

Costes de producción: Dada que la naturaleza de una red de sensores tiene que ser en número muy elevada, para poder obtener datos con fiabilidad, los nodos sensores una vez definida su aplicación, son económicos de hacer si son fabricados en grandes cantidades .

Limitaciones hardware: Para poder conseguir un consumo ajustado, se hace indispensable que el hardware sea lo más sencillo posible, así como su transceptor radio, esto nos deja una capacidad de proceso limitada.

Un nodo sensor está constituido por cuatro componentes básicos, como muestra la Figura:

una unidad sensora,

una unidad de proceso,

una unidad transceptora,

una unidad de energía,

Aunque pueden tener también componentes adicionales dependiendo de su aplicación como un sistema de

localización, un generador de energía o un movilizador.

Uno de los componentes más importantes de un nodo sensor es la fuente de alimentación.

Dentro del campo de las redes móviles Ad-Hoc, las redes de sensores son las que parecen tener un futuro más prometedor.

Control de Energía

Las redes de sensores puedes ser utilizadas para controlar y medir el consumo energético tanto a nivel de consumo como en la generación. Mediante la instalación de nodos en las partes claves del proceso usted podrá tomar decisiones y acciones para la mejor administración de este valioso recurso.

Control Ambiental

El control ambiental de vastas áreas de bosque o de océano, sería imposible sin las redes de sensores. El control de múltiples variables, como temperatura, humedad, fuego, actividad sísmica así como otras. También ayudan a expertos a diagnosticar o prevenir un problema o urgencia y además minimiza el impacto ambiental de la presencia humana.

Agricultura de precisión

El uso de sensores dispuestos a lo largo de la superficie de cultivo pueden ayudar al productor a la prevención de plagas, mejor utilización de los recursos hídricos, alerta sobre granizo y heladas, mejor utilización y optimización de agroquímicos etc.

Sistemas de seguridad

Existen lugares que requieren altos niveles de seguridad para evitar ataques terroristas, tales como centrales nucleares, aeropuertos, edificios del gobierno de paso restringido. Aquí gracias a una red de sensores se pueden detectar situaciones que con una simple cámara sería imposible.

Automatización Industrial

Dentro de fábricas existen complejos sistemas de control de calidad, el tamaño de estos sensores les permiten su instalación en todo el proceso productivo permitiendo su control y análisis en forma remota.

Prevención de incendios

La utilización de esta tecnología puede prevenir y evitar las perdidas económicas y el impacto ambiental de los incendios forestales. Se pueden desarrollar aplicaciones orientadas a la alerta temprana de incendios y desastres naturales

Medicina Es otro campo bastante prometedor. Con la reducción de tamaño que están sufriendo los nodos sensores, la calidad de vida de pacientes que tengan que tener controlada sus constantes vitales (pulsaciones, presión, nivel de azúcar en sangre, etc), podrá mejorar substancialmente. Domótica Su tamaño, economía y velocidad de despliegue, lo hacen una tecnología ideal para domotizar el hogar a un precio asequible. Automoción Las redes de sensores son el complemento ideal a las cámaras de tráfico, ya que pueden informar de la situación del tráfico en ángulos muertos que no cubren las cámaras y también pueden informar a conductores de la situación, en caso de atasco o accidente, con lo que estos tienen capacidad de reacción para tomar rutas alternativas.

Las medidas de seguridad han de disponer de los mecanismos necesarios para preservar todos estos aspectos:

La confidencialidad, debido a la facilidad de acceder al canal de comunicación.

La autenticidad de la información, ya que se transmite por el aire a todos los dispositivos dentro del área de influencia del emisor.

La integridad de la información transmitida, para evitar modificaciones accidentales o malintencionadas.

La vigencia de la información, para evitar la retransmisión de información obsoleta.

La disponibilidad del canal y de los nodos, evitando ataques de denegación de servicio.

El acceso lógico a la red, el cual debe ser exclusivo a los nodos designados.

La captura de algún nodo, siendo necesario que el acceso físico al mismo no permita acceder a la información que contiene.

Evitar la suplantación de los nodos por dispositivos malintencionados, los cuales pueden afectar la integridad mediante la inyección de información falsa o a la disponibilidad de la red, impidiendo el paso de mensajes legítimos o provocando un consumo descontrolado de los recursos de los nodos.

Es una especificación industrial para Redes Inalámbricas de Área Personal (IEEE 802.15), que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos mediante un enlace por radiofrecuencia en la banda ISM de los 2,4 GHz.

Principales Objetivos:

Facilitar las comunicaciones entre equipos móviles y fijos.

Eliminar cables y conectores.

Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar la sincronización de datos.

En 1994, la empresa L. M. Ericsson se interesó en conectar sus teléfonos móviles y otros, sin necesidad de cables. En conjunto con otras cuatros empresas(IBM, Intel, Nokia y Toshiba), formó un SIG(grupo de interés especial), con el propósito de desarrollar un estándar inalámbrico para interconectar computadoras, dispositivos de comunicaciones y accesorios a través de radios inalámbricos de bajo consumo de energía, corto alcance y económicos.

El SIG de Bluetooth emitió en julio de 1999 una especificación de 1500 páginas. Un poco después, el grupo de estándares del IEEE que se encarga de las redes de área personal inalámbricas, adoptó como base el documento sobre Bluetooth y empezó a trabajar en él. El comité 802.15 del IEEE estandariza solamente las capas físicas y la de enlace de datos; el resto de la pila de protocolos está fuera de sus estatutos.

Aún cuando el IEEE aprobó en el 2002 el primer estándar para redes de área personal, el SIG continúa las mejoras.

Los dispositivos Bluetooth se relacionan formando PICONETS y SCATTERNETS. Las piconets son la topología de red utilizada por Bluetooth, que consta de un nodo maestro y hasta siete nodos esclavos activos a una distancia de 10 metros. Si bien un maestro puede ser de una única piconet, un dispositivo cualquiera puede pertenecer a varias piconets al mismo tiempo. Este solapamiento se denomina scattenet.

Dos piconets se pueden conectar para conformar una scatternet.

Además de los siete nodos esclavos activos de una piconet, puede haber hasta 255 nodos estacionados. Éstos son dispositivos que el nodo maestro ha cambiado a un estado de bajo consumo de energía para reducir el desgaste innecesario de sus pilas. Lo único que un dispositivo en estado estacionado puede hacer es responder a una señal de activación por parte del maestro.

Otros estados

Modo de Mantenimiento (Hold Mode)

Que es un estado transitorio que limita la actividad en el enlace físico.

Modo de Rastreo (Sniff)

Que define periodos de presencia y ausencia en la piconet.

En esencia una piconet es un sistema TDM centralizado, en el cual el maestro controla el reloj y determina qué dispositivo se comunica en un momento determinado.

Todas las comunicaciones se realizan entre el maestro y el esclavo; no existe comunicación directa de esclavo a esclavo.

Existen dos tipos de básicos de tráfico.

El tráfico tramado de datos(framed data traffic)

Utiliza L2CAP para enviar tramas de una longitud menor a un máximo acordado.

Permite tráfico orientado a la conexión

Es unidireccional, punto a punto y unicast.

El tráfico no tramado.

No utiliza L2CAP, sino que trabaja directamente sobre los enlaces de Banda Base para transmitir datos con estructura de stream.

Permite únicamente transmisiones isócronas de tasas constante por medio de la reserva de slots de tiempo del canal físico (en base al reloj global de la piconet).

Los enlaces no son fiables por sí solos (dependen del entorno operativo).

El estándar Bluetooth cuenta con muchos protocolos agrupados con poco orden en capas. La estructura de capas no sigue el modelo OSI, el modelo TCP/IP, el modelo 802 o algún otro modelo conocido. En la figura se muestra la arquitectura básica de protocolos de Bluetooth tal como la modificó el comité 802.

Versión 802.15 de la arquitectura de protocolos de Bluetooth.

Capa de Radio Fisica:

• Es la capa inferior. Se encarga de la transmisión y la modulación de radio.

• Traslada los bits del maestro al esclavo y viceversa. Es un sistema de baja potencia con un rango de 10 metros que opera en la Banda ISM de 2,4 GHz. La Banda se divide en 79 canales de 1 MHz cada uno. La modulación es por desplazamiento de frecuencia, con un 1bit por Hz, lo cual da una tasa de datos aproximada de 1 Mbps.

• Para asignar los canales de manera equitativa, el espectro de saltos de frecuencia se utiliza a 1600 saltos por segundo y un tiempo de permanencia de 625 microsegundos. Todos los nodos de una piconet saltan de manera simultánea, y el maestro establece la secuencia de salto.

• Debido a que tanto el 802.11 como Bluetooth operan en la banda ISM de 2,4 GHz, en los mismos 79 canales, interfieren entre sí. Como Bluetooth salta mas rápido, es más probable que dañe a las transmisiones de la 802.11

La Capa Banda Base.

• Tiene algunos puntos en común con la subcapa MAC, aunque también incluye elementos de la capa física. Esta capa convierte el flujo de bits puros en tramas y define algunos formatos clave. En la forma mas sencilla, el maestro de cada piconet define una serie de ranuras de tiempo de 625 microsegundos y las transmisiones del maestro empiezan en las ranuras pares, y las de los esclavos, en las impares. Las ranuras pueden tener 1, 3 o 5 ranuras de longitud.

• La Sincronización de saltos de frecuencia permite un tiempo de asentamiento de 250-260 microsegundos por salto para que los circuitos de radio se estabilicen.

asdasd

• Para una trama de una sola ranura, despues del asentamiento, se desechan 366 de los 625 bits. De éstos, 126 son de código de acceso y encabezado, y 240 para los datos. Cuando se enlazan 5 ranuras, sólo se necesita un periodo de asentamiento y se utiliza uno ligeramente más corto, de tal manera que de los 5 x 625 = 3125 bits, 2781 se encuentran disponibles para la capa de banda base. Así las tramas más grandes son mucho más eficientes que las de una sola ranura.

Tipos de enlace.

ACL (Asíncrono no Orientado a la Conexión.)

• Se utiliza para datos conmutados en paquetes disponibles a intervalos irregulares. Estos datos provienen de la capa L2CAP.

• El tráfico ACL se entrega sobre la base de mejor esfuerzo. No hay garantías. Las tramas se pueden perder y tiene que retransmitirse

• Un esclavo puede tener un solo enlace con su maestro.

SCO(Síncrono Orientado a la Conexión)

• Para datos en tiempo real. A este tipo de canal se le asigna una ranura fija en cada dirección.

• Las tramas que se envían, nunca se retransmiten.

• Utiliza la corrección de errores hacia adelante para dar una confiabilidad alta.

• Un esclavo puede tener hasta 3 enlaces SCO con su maestro.

A continuación se encuentra una capa con un grupo de protocolos un tanto relacionados. El administrador de enlaces se encarga de establecer canales lógicos entre dispositivos, incluyendo administración de energía, autenticación y calidad de servicio. El Protocolo de adaptación y control de enlaces lógicos(L2CAP) aísla a las capas superiores de los detalles de la transmisión.

Los protocolos de audio y control, no necesitan del L2CAP, por lo que las aplicaciones que la necesitan pueden acceder directamente.

La capa L2CAP. Sus principales funciones.

• Aceptar paquetes de hasta 64KB provenientes de las capas superiores y dividirlos en tramas para su transmisión.

• Maneja la multiplexion y desmultiplexion de múltiples fuentes de paquetes. Cuando se reensambla un paquete, determina cual protocolo de las capas superiores lo manejará.

• Se encarga de la calidad de los requerimiento de servicios. Negocia el tamaño máximo de carga útil permitido, para evitar que un dispositivo que envíe paquetes grandes sature a uno que reciba paquetes pequeños.

Middleware.

Contiene una mezcla de diferentes protocolos. • LLC: encargado de la compatibilidad con las redes 802. • Rfcomm: comunicación de radio frecuencia, es el

protocolo que emula el puerto serie estándar de las PCs para la conexión de teclados, ratones y módems, entre otros dispositivos.

• El protocolo de Telefonía: de tiempo real. Está destinado a los tres perfiles orientados a la voz. También se encarga del establecimiento y terminación de las llamadas.

• El protocolo de descubrimiento de servicios: se emplea para localizar servicios dentro de la red.

Capa de Aplicación.

• En la capa superior es donde se ubican las aplicaciones y los perfiles, que utilizan a los protocolos de las capas inferiores para realizar su trabajo. Cada aplicación tiene su propio subconjunto de dedicado de protocolos.

Existen diversos formatos de trama, el más importante de los cuales se muestra en la figura. Empieza con un código de acceso que identifica al maestro, cuyo propósito es que los esclavos que se encuentren en el rango de alcance de dos maestros sepan cuál tráfico es para ellos. A continuación se encuentra un encabezado de 54 bits que contiene campos comunes de la subcapa MAC. Luego está el campo de datos, de hasta 2744 bits (para una transmisión de cinco ranuras). Para una sola ranura de tiempo, el formato es el mismo excepto que el campo de datos es de 240 bits.

Trama de datos típica de Bluetooth.

El encabezado cuenta con: El campo Dirección identifica a cuál de los ocho dispositivos

activos está destinada la trama. El campo Tipo indica el tipo de trama (ACL, SCO, de sondeo o

nula), el tipo de corrección de errores que se utiliza en el campo de datos y cuántas ranuras de longitud tiene la trama.

Un esclavo establece el bit F (de flujo) cuando su búfer está lleno y no puede recibir más datos. Ésta es una forma primitiva de control de flujo.

El bit A (de confirmación de recepción) se utiliza para incorporar un ACK en una trama.

El bit S (de secuencia) sirve para numerar las tramas con el propósito de detectar retransmisiones. El protocolo es de parada y espera, por lo que 1 bit es suficiente.

El campo Suma de verificación de 8 bits

• Todo el encabezado de 18 bits se repite tres veces para formar el encabezado de 54 bits que se aprecia en la figura. En el receptor, un circuito sencillo examina las tres copias de cada bit. Si son las mismas, el bit es aceptado. De lo contrario, se impone la opinión de la mayoría.

• Esto se debe a que es necesaria una gran cantidad de redundancia para enviar datos de manera confiable en un entorno con ruido mediante dispositivos de bajo costo y baja potencia (2.5 mW) con poca capacidad de cómputo.

• En el campo de datos de las tramas ACL se utilizan varios formatos. Sin embargo, las tramas SCO son más sencillas: el campo de datos siempre es de 240 bits. Se definen tres variantes, que permiten 80, 160 y 240 bits de carga útil real, y el resto se utiliza para corrección de errores. En la versión más confiable (carga útil de 80 bits), el contenido se repite tres veces, al igual que el encabezado.

El alcance puede variar dependiendo de la clase de radio usado en una aplicación: Clase 3 radios - tienen un alcance de hasta 1 metro. Clase 2 radios - más comúnmente encontrados en los

dispositivos móviles, tienen un alcance de 10 metros. Clase 1 - radios utilizados principalmente en los casos

de uso industrial, tienen un alcance de 100 metros.

La radio más comúnmente utilizado es de Clase 2 y utiliza 2,5 mW de potencia. La tecnología Bluetooth está diseñado para tener el consumo de energía muy bajo.

Los perfiles de Bluetooth

La mayoría de los protocolos de red sólo proporcionan canales entre las entidades que se comunican y permiten a los diseñadores de aplicaciones averiguar para qué desean utilizarlos. En contraste, la especificación Bluetooth V1.1 designa el soporte de 13 aplicaciones en particular y proporciona diferentes pilas de protocolos para cada una, las cuales se denominan perfiles.

El perfil de acceso genérico no es realmente una aplicación, sino más bien la base sobre la cual se construyen las aplicaciones; su tarea principal es ofrecer una manera para establecer y mantener enlaces (canales) seguros entre el maestro y los esclavos.

El perfil de descubrimiento de servicios también es relativamente genérico; los dispositivos lo utilizan para descubrir qué servicios ofrecen otros dispositivos.

Se espera que todos los dispositivos Bluetooth implementen estos dos perfiles. Los restantes son opcionales.

El perfil de puerto serie es un protocolo de transporte que la mayoría de los perfiles restantes utiliza. Emula una línea serie y es especialmente útil para aplicaciones heredadas que requieren una línea serie.

El perfil de intercambio genérico define una relación cliente-servidor para el traslado de datos. Los clientes inician operaciones, pero tanto un cliente como un servidor pueden fingir como esclavo. Al igual que el perfil de puerto serie, es la base para otros perfiles.

El siguiente grupo de tres perfiles está destinado a la conectividad. El perfil de acceso a LAN permite a un dispositivo Bluetooth

conectarse a una red fija; este perfil es competencia directa del estándar 802.11.

El perfil de acceso telefónico a redes fue el propósito original de todo el proyecto; permite a una computadora portátil conectarse a un teléfono móvil que contenga un módem integrado, sin necesidad de cables.

El perfil de fax es parecido al de acceso telefónico a redes, excepto que posibilita a máquinas de fax inalámbricas enviar y recibir faxes a través de teléfonos móviles sin que exista una conexión por cable entre ambos.

Los tres perfiles siguientes son para telefonía. El perfil de telefonía inalámbrica proporciona una manera de conectar

el handset (teléfono) de un teléfono inalámbrico a la estación base.

El perfil Intercom hace posible que dos teléfonos se conecten como walkie-talkies.

El perfil Headset (diadema telefónica) se puede realizar

comunicación de voz entre la diadema telefónica y su estación base, por ejemplo, para comunicarse telefónicamente sin necesidad de utilizar las manos al manejar un automóvil.

Los tres perfiles restantes sirven para intercambiar objetos entre dos dispositivos inalámbricos, como tarjetas de presentación, imágenes o archivos de datos. En particular, el propósito del perfil de sincronización es cargar datos en un PDA o en una computadora portátil.

La tecnología Bluetooth de alta velocidad funciona mediante el aislamiento de la actividad de los amplificadores, lo que permite el uso de nuevas radios sin una integración completa del sistema. La versión 3.0 + HS mejora de la especificación básica . Las características incluyen:

Optimización de energía Seguridad mejorada Control de energía mejorada Menores tasas de latencia

La tecnología Bluetooth de alta velocidad también se incluye en la

especificación Bluetooth v4.0 más reciente lanzado en junio de 2010

Bluetooth v4.0 introdujo la tecnología de baja energía a la especificación principal Bluetooth, permitiendo a los nuevos dispositivos Bluetooth inteligentes que pueden funcionar durante meses o incluso años de pequeños y monedas pilas. Los mercados para estos nuevos dispositivos incluyen el cuidado de la salud, deportes y fitness, seguridad y entretenimiento en el hogar.