Mecanismo de coordinación para redes inalámbricas de sensores y actores

Las redes inalámbricas de sensores y actores (WSAN, por sus siglas en inglés) se utilizan para monitorizar parámetros físicos mediante el despliegue de sensores en un área de interés. La información de los sensores se envía a los actores para que éstos puedan procesar los datos, tomar decisiones aut...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Erica Cecilia Ruíz Ibarra
Tipo de recurso: tesis doctoral
Estado:Versión publicada
Fecha de publicación:2010
País:México
Institución:Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada
Repositorio:Repositorio Institucional CICESE
Idioma:español
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description Las redes inalámbricas de sensores y actores (WSAN, por sus siglas en inglés) se utilizan para monitorizar parámetros físicos mediante el despliegue de sensores en un área de interés. La información de los sensores se envía a los actores para que éstos puedan procesar los datos, tomar decisiones autónomas y desarrollar acciones oportunas en respuesta a las mediciones de los sensores. Para lograr un desempeño eficiente, en una WSAN se deben implementar estrategias de coordinación que permitan una colaboración eficiente entre sensores y actores, procurando realizar una asignación óptima de recursos y que sea posible ejecutar tareas con el menor retardo posible.   A la fecha, existen varios problemas relacionados con la coexistencia de sensores y actores, que no han sido completamente resueltos, o al menos abordados; por ejemplo, no existe una metodología apropiada para el diseño de mecanismos de coordinación. En este sentido, como parte de las contribuciones de este trabajo, se propone una taxonomía nueva para la clasificación de los mecanismos de coordinación empleados en escenarios WSAN, la cual puede ser utilizada para el diseño de este tipo de redes. Adicionalmente, se propone un mecanismo de coordinación a nivel Sensor-Actor, el cual permite establecer una comunicación efectiva y eficiente entre los diferentes nodos que componen la WSAN. Como parte del mecanismo de coordinación, se propone un mecanismo de agrupamiento, que incorpora una arquitectura de red jerárquica, donde los actores móviles son seleccionados como líderes de grupo dentro de la WSAN. La propuesta implementa un mecanismo para actualizar la posición geográfica de los actores con el propósito de balancear la carga en términos del número de sensores dentro de cada grupo (o cluster), de esta forma se pretende extender el tiempo de vida de la red.   El mecanismo de coordinación propuesto se implementa utilizando el simulador de redes de datos OPNET y la herramienta MATLAB. La propuesta consta de cinco etapas que son implementadas en la capa de red y que incluyen: descubrimiento de topología, estimación de la posición de los actores, balance de cargas, asociación de sensores, y enrutamiento. Las etapas uno, cuatro y cinco se implementan en OPNET, mientras que las etapas dos y tres se implementan en MATLAB. En el modelo de simulación, los nodos sensores y actores hacen uso de una capa de enlace de datos, basada en el estándar IEEE 802.15.4, la cual se implementó como parte del modelo de nodo. Adicionalmente, se implementó la interoperabilidad con un protocolo de enrutamiento multi-rutas en la capa de red. A partir de los resultados de simulación obtenidos, se muestra que el mecanismo de coordinación propuesto contribuye a lograr un ahorro en el consumo de energía y reduce el tiempo transcurrido durante el reporte de un evento. 
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Para lograr un desempeño eficiente, en una WSAN se deben implementar estrategias de coordinación que permitan una colaboración eficiente entre sensores y actores, procurando realizar una asignación óptima de recursos y que sea posible ejecutar tareas con el menor retardo posible.   A la fecha, existen varios problemas relacionados con la coexistencia de sensores y actores, que no han sido completamente resueltos, o al menos abordados; por ejemplo, no existe una metodología apropiada para el diseño de mecanismos de coordinación. En este sentido, como parte de las contribuciones de este trabajo, se propone una taxonomía nueva para la clasificación de los mecanismos de coordinación empleados en escenarios WSAN, la cual puede ser utilizada para el diseño de este tipo de redes. Adicionalmente, se propone un mecanismo de coordinación a nivel Sensor-Actor, el cual permite establecer una comunicación efectiva y eficiente entre los diferentes nodos que componen la WSAN. Como parte del mecanismo de coordinación, se propone un mecanismo de agrupamiento, que incorpora una arquitectura de red jerárquica, donde los actores móviles son seleccionados como líderes de grupo dentro de la WSAN. La propuesta implementa un mecanismo para actualizar la posición geográfica de los actores con el propósito de balancear la carga en términos del número de sensores dentro de cada grupo (o cluster), de esta forma se pretende extender el tiempo de vida de la red.   El mecanismo de coordinación propuesto se implementa utilizando el simulador de redes de datos OPNET y la herramienta MATLAB. La propuesta consta de cinco etapas que son implementadas en la capa de red y que incluyen: descubrimiento de topología, estimación de la posición de los actores, balance de cargas, asociación de sensores, y enrutamiento. Las etapas uno, cuatro y cinco se implementan en OPNET, mientras que las etapas dos y tres se implementan en MATLAB. En el modelo de simulación, los nodos sensores y actores hacen uso de una capa de enlace de datos, basada en el estándar IEEE 802.15.4, la cual se implementó como parte del modelo de nodo. Adicionalmente, se implementó la interoperabilidad con un protocolo de enrutamiento multi-rutas en la capa de red. A partir de los resultados de simulación obtenidos, se muestra que el mecanismo de coordinación propuesto contribuye a lograr un ahorro en el consumo de energía y reduce el tiempo transcurrido durante el reporte de un evento. Wireless sensor and actor networks (WSAN) are used to monitor physical parameters by deploying sensors in an area of interest. The information of the sensors is sent to the actors which process the data, make independent decisions and perform opportune actions in response to the measurements of the sensors. In order to achieve an efficient performance, a WSAN must implement coordination strategies to allow for efficient collaboration between sensors and actors, while making an optimal allocation of resources and executing tasks with the least possible delay.  Up to this date, there are several issues related to the coexistence of sensors and actors which have not been completely solved, or at least addressed; for example, there is no appropriate methodology for the design of coordination mechanisms. In this regard, as part of the contributions of this work, a new taxonomy is proposed for the classification of the coordination mechanisms employed in WSAN scenarios, which can be used for the design of this type of networks. Additionally, a coordination mechanism is proposed at the SensorActor level to allow for effective and efficient communication between the different nodes in the WSAN. As part of the coordination mechanism, a clustering mechanism is proposed, which incorporates a hierarchical network architecture where the mobile actors are selected as cluster-heads in the WSAN. The proposal implements a mechanism to update the geographic position of the actors in order to balance the load in terms of the number of sensors within each group (or cluster), with the purpose of extending the network life time.  The proposed coordination mechanism is implemented using the OPNET data network simulator and the MATLAB tool. The proposal consists of five stages which are implemented at the network layer and include: topology discovery, estimation of the position of the actors, load balance, sensor association, and routing. Stages one, four and five are implemented in OPNET, while stages two and three are implemented in MATLAB. In the simulation model, the sensor nodes and actors make use of a data link layer based on the IEEE 802.15.4 standard, which is implemented as part of the node model. Additionally, the interoperability with a multipath routing protocol was implemented at the network layer. From the simulation results, it is observed that the proposed coordination mechanism contributes to reduce both the power consumption and the elapsed time during the report of an event.  CICESELUIS ARMANDO VILLASEÑOR GONZALEZ2010info:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttp://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/200reponame:Repositorio Institucional CICESEinstname:Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenadainstacron:CICESEspacitation:Ruíz Ibarra, E. C.2010. Mecanismo de coordinación para redes inalámbricas de sensores y actores. Tesis de Doctorado en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 97 pp.info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0oai:cicese.repositorioinstitucional.mx:1007/2002024-08-28T03:49:39Z
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