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Reduccion del consumo de energia del
protocolo ZigBee implementando un
protocolo MAC de bajo consumo
Resumen de la memoria
Pablo Suarez Hernandez
Stockholm, Febrero de 2008,Proyecto Fin de Carrera
Saab Communication - Swedish Institute of Computer ScienceEscuela Superior de Ingenieros - Universidad de Sevilla
Reduccion del consumo de energia del protocolo ZigBeeimplementando un protocolo MAC de bajo consumoINDICE
Indice
1 Introduccion 1
2 Redes de sensores inalambricos 3
2.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Posibles escenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Rendimiento de una red. Parametros y metricas . . . . . . . . . 5
3 El protocolo ZigBee 7
3.1 El nivel fısico (PHY) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2 El nivel de control de acceso al medio (MAC) . . . . . . . . . . . 10
3.3 El nivel de Red (NWK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.4 El nivel de aplicacion (APL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4 El sistema operativo Contiki 12
5 El protocolo X-MAC 14
6 Implementacion 16
7 Experimentos 20
7.1 Experimento 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
7.2 Experimento 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
7.3 Experimento 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
8 Conclusiones 26
I
INDICE
II
Reduccion del consumo de energia del protocolo ZigBeeimplementando un protocolo MAC de bajo consumo1. Introduccion
Capıtulo 1
Introduccion
El incremento de aplicaciones basadas en comunicaciones inalambricas exper-imentado en los ultimos anos esta cambiando la mentalidad y las reglas delcampo de las Tecnologıas de la Informacion. Recientemente, los avances en laindustria de los semiconductores han permitido la aparicion de dispositivos detamano y coste reducido, conocidos como nodos sensores.
La introduccion de esta tecnologıa en la industria ha permitido el desarrollode una serie de nuevas aplicaciones y la mejora de muchas otras ya existentes.Dichas aplicaciones van desde el campo de la demotica y la automatizacionindustrial a la defensa civil y usos militares. El mercado ha crecido en los ultimosanos y muchas companıas han comenzado a mostrar interes en el desarrollo denuevos productos basados en sensores inalambricos.
Uno de los principales desafıos que el desarrollo de una red de estos elementospresenta es la disminucion del consumo energetico de los nodos para alargar eltiempo de vida de las baterıas, durante tanto tiempo como para que puedanser considerados una opcion adecuada en aquellos escenarios en los que el reemplazamiento de dispositivos debe evitarse en la medida de lo posible. Exten-der el tiempo de vida de las baterıas pueda mejorar sensiblemente las posiblesaplicaciones y asegurar el exito comercial. Es por lo tanto uno de los principalescampos de investigacion hoy en dıa.
Hay distintas perspectivas para afrontar dicho objetivo. Muchas de ellas secentran en el desarrollo de Protocolos de Control Acceso al Medio (protoco-los MAC). Tradicionalmente, la principal tarea de dichos protocolas es evitarcolisiones entre dispositivos que intentan acceder simultaneamente al canal decomunicaciones. Existen muchos protocolos ya desarrollados y empleados ha-bitualmente en distintos tipos de redes, como esquemas de multiplexion en eltiempo (TDMA) o CSMA. Sin embargo, las caracterısticas especiales de las re-des de sensores inalambricos han motivado el desarrollo de protocolos MAC masespecıficos que tambien ahorran la mayor cantidad de energıa posible.
El desarrollo de estandares adoptados por fabricantes y desarrolladores es muybeneficioso dado que un esfuerzo significativo ha sido empleado en desarrollardichas normativas. La combinacion de las normas IEEE 802.15.4 y el protocoloZigBee son una solucion popular y muy versatil para este tipo de sistemas. El
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1. Introduccion
conjunto cubre aspectos como la formacion de redes, protocolos de enrutamientoy mecanismos de seguridad. Aun ası, sigue siendo necesario desarrollar aspectosrelacionados con la reduccion del consumo energetico.
El objetivo de este proyecto de fin de carrera consiste en implementar unaversion del protocolo ZigBee usando el sistema operativo Contiki, y mejorarel rendimiento desarrollando un protocolo MAC con el fin de reducir el con-sumo. Distintos experimentos se han realizado para determinar el rendimientode la implementacion disenada, obteniendo distintas conclusiones e ideas paraposibles trabajos futuros.
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Reduccion del consumo de energia del protocolo ZigBeeimplementando un protocolo MAC de bajo consumo2. Redes de sensores inalambricos
Capıtulo 2
Redes de sensoresinalambricos
2.1 Introduccion
Las Redes Inalambricas de Sensores (WSN) representan un tipo de sistemadistinto a las redes inalambricas tradicionales basadas en la norma IEEE 802.11.Las WSNs necesitan un menor ancho de banda y estan basados estrictamente encomunicaciones ”ad-hoc”, sin infraestructuras fijas. El IEEE ha estandarizadolos desarrollos previos y ha publicado la especificacion 802.15.4, especialmenteorientada a WSNs.
Una definicion inicial y muy clarificadora de este tipo de sistemas puede encon-trarse en [7].
Sensores + CPU + Radio = Miles de posibles aplicaciones.
Una WSN consiste en un gran numero de nodos sensores que emplean comuni-caciones radio para transmitir informacion entre ellos. Los nodos sensores sonminusculos dispositivos con poca capacidad computacional y de memoria, queintegran un numero de sensores que pueden emplearse para medir caracterısticasfısicas en su entorno. Los dispositivos que forman una WSN pueden recopilarmediciones y transmitirlas a traves de la red.
Los nodos sensores estan habitualmente equipados con un transceptor, un mi-cro controlador de baja capacidad y una fuente de alimentacion (generalmentebaterıas), ası como distintos sensores para medir diferentes magnitudes. Sutamano depende de su complejidad y el nivel de integracion. Estudios como [11]han propuesto redes con una gran cobertura formadas por nodos microscopicosy muy bajo coste. El actual estado tecnologico aun necesita desarrollo paraalcanzar ese nivel de integracion.
Existen muchas posibles aplicaciones y servicios que pueden beneficiarse deluso de una WSN. Cada una de ellas tiene sus propias caracterısticas y requer-
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2. Redes de sensores inalambricos
imientos. A continuacion se resumen las principales aplicaciones ası como susprincipales requisitos.
2.2 Posibles escenarios
Trabajos previos [7, 3] coinciden en definir los siguientes tipos de aplicacionescomo las mas relevantes y representativas. La combinacion de las caracterısticasde cada una de estas aplicaciones basicas resulta en un gran numero de posi-bilidades que prueban la versatilidad de las WSNs y que justifican los esfuerzospuestos en el desarrollo de este tipo de sistemas.
• Monitorizacion ambiental.
El bajo coste, la gran autonomıa y la escalabilidad de las WSNs puedenbeneficiar a aquellas actividades basadas en la medida de valores en dis-tintos puntos en grandes aereas. Un cientıfico puede desplegar una red denodos que pueden proporcionar lecturas de diferentes magnitudes fısicasy transmitir la informacion a un nodo receptor que almacene y procese lainformacion.
En este escenario especifico, la red debe tener un gran numero de nodosdistribuidos en una gran superficie, por lo que deben estar permitidos losenlaces con mas de un salto. Un nodo coordinador, que podrıa tener unamayor capacidad computacional que los demas, es el destino final de todoslos mensajes transmitidos por la red. La tasa de transmision en este casoes muy baja, y son necesarias estrategias de enrutamiento adecuadas paraasegurar la eficacia del sistema.
La autonomıa de los nodos es un aspecto crucial en este caso. Dado quela mayor parte de la energıa consumida por los nodos esta causada por lasoperaciones del transceptor, los nodos deben permanecer en estado latentedurante tanto tiempo como sea posible, asegurando a la vez la transmisionde manera fiable.
Las caracterısticas mas importantes en este caso son:
– Alta autonomıa.
– Baja tasa de transmision.
• Sistemas de seguridad:
La versatilidad de los elementos que forman parte de una WSN propor-ciona un amplio rango de soluciones en los campos de la defensa civil ymilitar. Una WSN puede desplegarse para vigilar perımetros defensivos,alertando cuando personal no autorizado accede a aereas prohibidas. Lacapacidad de detectar anomalıas tambien puede aprovecharse en instala-ciones crıticas como aeropuertos o plantas energeticas.
Una WSN puede integrarse en un sistema integral de seguridad que imple-mente otros elementos como radares o camaras inteligentes. Estos sistemaspueden convertirse en una herramienta muy util para las fuerzas policialeso la seguridad privada, contribuyendo a un mundo mas seguro.
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2. Redes de sensores inalambricos
Examinando las caracterısticas de la red, es muy importante el hecho deque en vez de recolectar informacion los nodos normalmente solo tienenque transmitir informacion cuando ciertos eventos ocurren, activando alar-mas que se deben transmitir rapidamente por la red de forma que losoperadores puedan tomar las acciones apropiadas.
La fiabilidad es tambien un requisito basico. Cada nodo deberıa enviarperiodicamente una senal para notificar a la red que esta funcionandoadecuadamente. De este modo, los controladores pueden detectar posi-bles violaciones de seguridad en zonas en las que los nodos han dejado defuncionar. Adicionalmente, otros requisitos de robustez deben consider-arse e implementar redundancia en las rutas disponibles ante un eventualfallo de algun nodo o incluso un ataque electronico.
Los requisitos basicos en este caso son:
– Fiabilidad y roubstez
– Bajo retardo de transmision
• Seguimiento de recursos.
El seguimiento de recursos en un proceso productivo y la gestion de unacadena de suministros son campos interesantes para la implementacionde WSNs. En actividades industriales a gran escala, la informacion entiempo real sobre la localizacion de recursos relevantes o personas puedemejorar el rendimiento de muchas operaciones. Dado que una de las car-acterısticas mas relevantes de los nodos sensores es la movilidad, adjuntarestos dispositivos a elementos moviles puede contribuir a un aumento dela productividad.
En este tipo de escenario, los nodos moviles transmiten periodicamenteuna senal detectada por otros nodos fijos, lo que permite su localizacion enla red continuamente. La red por lo tanto debe estar preparada para podermodificar sus tablas enrutamiento para adaptarse a las nuevas posicionesde los nodos. El bajo coste es otro requisito importante en este caso,ya que un gran numero de dispositivos son necesarios para localizar losdistintos elementos de interes.
Requisitos
– Movilidad de los dispositivos
– Bajo Coste
2.3 Rendimiento de una red. Parametros y metricas
El rendimiento y las caracterısticas de una WSN queda definido mediante lossiguientes parametros:
• Tasa de transmision / carga de trafico: Cantidad de informacion que laWSN debe transmitir. Generalmente se mantiene en valores bajos com-parado con otros tipos de redes
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2. Redes de sensores inalambricos
• Autonomia: El tiempo de vida de las baterıas esta relacionado con elconsumo energetico, y a su vez con la carga de trafico y la latencia quese desea obtener. Esta caracterıstica se estudia con profundidad en otrossecones de la memoria.
• Latencia: La latencia o tiempo de respuesta es el tiempo que tarda entrasmitirse un mensaje desde un nodo hasta el destino final de la comu-nicacion. Esquemas que favorezcan la extension de la autonomıa general-mente tienen un impacto alargando dicho tiempo de respuesta.
• Coste: Existe una relacion entre la capacidad general del sistema y elcoste. Los distintos elementos deben ser calibrados apropiadamente paraminimizar el coste total.
• Seguridad: Es necesario encriptar la informacion e implementar sistemasrobustos capaces de tratar con eventos inesperados o ataques externos.
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Reduccion del consumo de energia del protocolo ZigBeeimplementando un protocolo MAC de bajo consumo3. El protocolo ZigBee
Capıtulo 3
El protocolo ZigBee
Con el fin de cumplir los requisitos generales de las WSNs, distintos protoco-los y estandares han sido desarrollados para obtener una solucion factible quepermita el uso de nodos sensores para todas las posibles aplicaciones descritaspreviamente.
Para este tipo especial de red inalambrica, el IEEE ha desarrollado la especifi-cacion 802.15.4 [8] que es ampliamente utilizada en la mayorıa de aplicacionesbasadas en WSNs. Dicha especificacion define los dos niveles mas bajos de unatorre de protocolos, concretamente el nivel fısico y el nivel MAC.
Existen diferentes opciones desarrolladas para las capas de Red y aplicacionque pueden combinarse con el estandar 802.15.4 para proporcionar distintasfuncionalidades dependiendo de la aplicacion deseada. Una de dichas opcioneses ZigBee [1], desarrollado por una asociacion de companıas que trabajan parael desarrollo y la mejora de este protocolo.
Es importante diferenciar entre los estandares IEEE 802.15.4 y ZigBee. ZigBeesolo especifica los niveles de Red (NWK) y aplicacion (APL), mientras que elestandar 802.15.4 especifica los niveles fısico (PHY) y de acceso al medio (MAC).ZigBee esta localizado por encima de las capas definidas por la especificacion802.15.4. Sin embargo, genericamente el conjunto suele recibir el nombre deZigBee. La figura 3.1 muestra la estructura de protocolo propuesta.
Las principales caracterısticas obtenidas de la combinacion de ZigBee y la es-pecificacion IEEE 802.15.4 se resumen a continuacion:
• Tawas de transmission de 250kb/s, 100kb/s, 40kb/s, o 20kb/s.
• Topologıas estrella o peer-to-peer.
• Esquema de transmision opcional basado en balizas.
• Direccionamiento de 16 o 64 bits
• Opcion de adjudicacion garantizada de slots temporales (GTS)
• CSMA/CA
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3. El protocolo ZigBee
Figura 3.1: La torre del protocolo ZigBee.
• Transmision fiable mediante el uso de ACKs
• Bajo consumo energetico
• Deteccion de nivel de energıa en el medio
• Indicacion de calidad de enlace
• 49 canales en total, repartidos en las bandas de 2450 MHz, 915 MHz y868 MHz
ZigBee define dos tipos de dispositivos:
• Dispositivos de Funcionalidad Completa (FFD): Pueden llevar a cabo to-das las operaciones del estandar, incluyendo enrutamiento y tareas decoordinacion
• Dispositivos de Funcionalidad Reducida (RFD): Solo implementan unaversion limitada del protocolo. Deben asociarse con un FFD. No tienencapacidad de enrutamiento.
Toda WSN debe incluir un coordinador, que proporciona una sincronizacionglobal a la red y gestiona sus elementos.
Existen dos topologıas basicas soportadas por es estandar: estrella y peer topeer. La figura 3.2 representa ambas opciones. En la topologıa en estrella, unnodo hace las funciones de coordinador y el resto de dispositivos solo puedencomunicarse con el. Cualquier otro dispositivo que quiera unirse a la red ocomunicarse con algun otro nodo debe enviar la informacion al coordinador, quela reenviara o tomara las acciones apropiadas. Debido a las caracterısticas de
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3. El protocolo ZigBee
la topologıa, es conveniente que el coordinador no este alimentado por baterıasdebido al gran consumo energıa que presentarıa debido a la gran cantidad deactividad requerida.
Figura 3.2: Topologıas en estrella y peer-to-peer [8].
Una topologıa en estrella no es una solucion adecuada para la mayorıa de esce-narios propuestos en la seccion anterior por muchos motivos. No pueden imple-mentarse redes con enlaces intermedios y es necesario que un nodo este equipadocon baterıas, lo cual reduce la versatilidad. Aun ası, algunas aplicaciones comoautomatizacion domestica puede beneficiarse de esta opcion.
Una red peer to peer tambien incluye un coordinador de red aunque sus fun-ciones son mucho mas limitadas que en el caso de la topologıa en estrella. Eneste caso, la red esta descentralizada y los mecanismos de enrutamiento debenasegurar la conectividad punto a punto. Es importante recordar que solo losFFDs pueden actuar como routers.
3.1 El nivel fısico (PHY)
El nivel fısico es el mas cercano al medio y es el responsable de la transmisionde la informacion a traves de un canal radio utilizando la modulacion especıficade la especificacion IEEE 802.15.4.
Las principales tareas del nivel PHY incluyen:
• Gestion del transceptor.
• Deteccion de Energıa .
• Indicador de calidad de enlace.
• Deteccion de canal libre (CCA).
• Sintonizacion del canal fısico.
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3. El protocolo ZigBee
Para llevar a cabo esas tareas, la capa PHY cuenta con dos servicios que pro-porcionan una interfaz entre la capa MAC y el canal fısico. Se trata del PhysicalData Service (PD-DATA) y el Physical Layer Management Entity (PLME). Laentidad PD-DATA soporta el transporta de las tramas y el PLME proporcionaservicios de gestion y control de los distintos dispositivos. Asimismo, el PLMEmantiene una base de datos de parametros pertenecientes a la capa PHY, de-nominada PHY PAN Information Base (PIB).
La figura 3.3 representa las tramas transmitidas y recibidas por el nivel PHY.
Figura 3.3: Trama PPDU [8].
3.2 El nivel de control de acceso al medio (MAC)
El nivel MAC proporciona una interfaz entre el nivel fısico y los niveles superi-ores de la torre de protocolo. Sus principales funciones son las siguientes:
• Generacion de balizas y sincronizacion con las mismas.
• Seguridad.
• Empleo del mecanismo CSMA-CA para acceso al canal.
• Proporcionar un enlace fiable con entidades MAC de otros dispositivos.
De manera similar al nivel fısico, el nivel MAC implementa dos servicios parallevar a cabo sus operaciones. El servicio de transmision de datos es denominadoMAC Common Part Sublayer (MCPS) y el servicio de control es denominadoMac Layer Management Entity (MLME). Estos servicios proporcionan la inter-faz requerida entre los niveles NWK y PHY. Asimismo, el nivel MAC mantieneuna base de datos sobre distintos elementos y parametros de configuracion de-nominada MAC PAN Information Base (MAC PIB).
El nivel MAC define dos modos de operacion, segun si se emplean o no balizaspara sincronizar la comunicacion en la red. El modo basado en balizas solo puedeemplearse en redes con una topologıa de estrella, y dado que el objetivo de esteestudio son las redes con topologıa peer-to-peer, no se detalla la informacion eneste resumen.
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3. El protocolo ZigBee
3.3 El nivel de Red (NWK)
La capa NWK proporciona las siguientes funcionalidades implementadas en elprotocolo:
• Creacion de redes.
• Configuracion de nuevos dispositivos, asignacion de direcciones de red.
• Mantenimiento de informacion relacionada con los nodos dentro del rangode comunicacion.
• Enrutamiento de tramas.
• Descubrimiento de nuevas rutas, mantenimiento y reparacion de enlaces.
• Comunicacion unicast, multicast y broadcast.
De manera similar a las anteriores capas, el nivel NWK implementa dos ser-vicios para llevar a cabo sus operaciones. El NWK Data Entity (NLDE) es elencargado del transporte de tramas, mientras que el NWK Layer ManagementEntity (NLME) es la entidad de control y configuracion. El nivel NWK tambienmantiene una base de datos con informacion sobre distintos parametros queconfiguran el funcionamiento del sistema a nivel de red. Igualmente, mantienetablas con informacion sobre los distintos nodos vecinos y las rutas conocidas,que son utilizadas para enrutar las tramas generadas.
3.4 El nivel de aplicacion (APL)
La capa superior definida por ZigBee se denomina de aplicacion. A su vezconsiste en varias subcapas: Soporte de aplicacion (APS), Objeto de DispositivoZigBee (ZDO) y los perfiles de dispositivos incluidos por el fabricante. Lasfunciones generales de la capa de aplicacion son:
• Mantenimiento de tablas para asociar dos dispositivos en funcion de losservicios proporcionados.
• Mapeado de direcciones de red (16 bits) partiendo de direcciones de 64bits.
• Fragmentacion y reconstruccion de la informacion en tramas adecuadaspara la transmision.
• Definicion de las capacidades del dispositivo en la red.
• Descubrimiento de dispositivos en la red y determinacion de los serviciosque pueden proporcionar.
• Establecimiento de una comunicacion segura entre los dispositivos.
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Reduccion del consumo de energia del protocolo ZigBeeimplementando un protocolo MAC de bajo consumo4. El sistema operativo Contiki
Capıtulo 4
El sistema operativoContiki
Contiki[5] es un Sistema Operativo desarrollado por el Swedish Institute ofComputer Science (SICS). Contiki esta orientado a dispositivos con restriccionesen memoria y escasa capacidad computacional. Ha sido portado a un grannumero de plataformas y es una opcion adecuada para el desarrollo de WSNs.
Las principales caracterısticas de Contiki incluyen:
• Kernel multitarea.
• Protohilos permitiendo.
• Soporte de comunicacion TCP/IP.
• Navegador web.
• Servidor web personal de baja capacidad.
• Cliente telnet.
Contiki esta escrito en lenguaje C y ha sido portado al microcontolador MSP430de Texas Instruments y a la plataforma Tmote Sky, que han sido usados enla implementacion detallada posteriormente. Una aplicacion desarrollada paraContiki requiere aproximadamente 2 kilobytes de RAM y 40 kilobytes de ROM.
Contiki tambien incluye dos protocolos de comunicacion denominados Rime yuIP. Rime es un protocolo ligero que permite un amplio numero de opciones decomunicacion. uIP permite la conectividad con Internet gracias a una imple-mentacion reducida del protocolo TCP/IP.
El nucleo de Contiki incluye el kernel, una seleccion de funciones comunes y unprotocolo de comunicacion consistente en un driver y funciones para manejarel hardware de comunicaciones. El nucleo es compilado y almacenado en eldispositivo, mientras que la aplicacion del usuario es cargada en el sistemautilizando una funcionalidad del propio nucleo.
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4. El sistema operativo Contiki
El Kernel esta basado en comunicacion por eventos. Distintas aplicaciones soncargadas y descargadas en tiempo de ejecucion, proporcionando capacidad demultitarea. El metodo del paso de eventos proporciona concurrencia a sistemasque no tienen suficientes recursos para implementar un modelo con multipleshilos.
En un modelo con multiples hilos, cada uno de ellos requiere su propia pilade memoria, las cuales deben ser reservadas con una gran cantidad de espacioya que no se conoce su tamano maximo de antemano. Esto limita mucho lasposibilidades de implementacion en sistemas limitados en memoria como losnodos sensores.
En un sistema regido por eventos, como Contiki, los distintos procesos son im-plementados como manejadores de eventos. Todos los procesos en ejecucion enel sistema comparten la misma pila de memoria, con los problemas de concur-rencia que esto representa. Generalmente es necesaria una compleja maquinade estados para el correcto funcionamiento del conjunto, lo cual dificulta laprogramacion.
No obstante, Contiki implementa una solucion que puede ser considerado comoun hibrido entre los dos modelos, basado en un elemento denominado ”Proto-hilo”. Los protohilos [6] son hilos sin pila propia que proporcionan la posibili-dad de ejecutar codigo linealmente en sistemas operativos basados en el paso deeventos. Un protohilo se ejecuta en una funcion, y no cede el control al sistemahasta que no se alcanza una lınea de codigo que lo indica. Cuando esto ocurre,el punto de bloqueo queda almacenado pero no el valor de las variables locales,que no se almacenan al carecer de pila el protohilo.
La gran ventaja del uso de protohilos reside en la escasa memoria requeridapara implementar varios procesos a la vez. Segun la version, entre 2 y 12 bytesde memoria de estado son requeridos por cada protohilo.
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Reduccion del consumo de energia del protocolo ZigBeeimplementando un protocolo MAC de bajo consumo5. El protocolo X-MAC
Capıtulo 5
El protocolo X-MAC
El protocolo X-MAC, propuesto en [2], es un protocolo MAC de bajo consumodisenado especıficamente para redes de sensores inalambricos. Se trata de unprotocolo basado en un duty cycle, es decir, el protocolo alterna periodos deactividad con periodos en los que el sistema se encuentra en estado latente.
X-MAC implementa una version mejorada de un mecanismo denominado ”Es-cucha de baja potencia” (Low Power Listening), propuesto inicialmente para elprotocolo B-MAC. En X-MAC, los nodos acceden periodicamente al canal paradetectar si algun otro dispositivo quiere establecer una comunicacion. Cuandoun nodo quiere transmitir una trama, comienza a emitir previamente una seriede paquetes que forman la ”secuencia de preambulo”. Dichos paquetes contienenla direccion del destinatario de la trama que se desea transmitir, ası como ladireccion del nodo que origina la comunicacion.
Figura 5.1: Mecanismos de transmision y recepcion de X-MAC [2].
Como se ha mencionado, los nodos acceden periodicamente al canal durante unbreve periodo de tiempo. Si no detectan la transmision de ninguna secuenciade preambulo, los nodos vuelven a desactivar su radio al terminar su periodode escucha. Si detectan la transmision de paquetes de preambulo con distinto
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5. El protocolo X-MAC
destino, desactivan inmediatamente la radio y permanecen desactivados duranteun periodo de tiempo suficientemente largo para asegurarse de que la proximavez que accedan al canal ya habra terminado la transmision detectada.
Si el nodo detecta una secuencia de preambulo destinada a sı mismo, envıa unasentimiento especial con el objetivo de que el nodo emisor reciba la notificacionde que el destinatario del mensaje esta activo y listo para recibir la trama.Cuando el emisor detecta dicho asentimiento, transmite la trama de datos. Lafigura 5.1 muestra el proceso de transmision de X-MAC.
La configuracion de los parametros del duty cycle determina el rendimiento delprotocolo. Con el fin de obtener los parametros optimos, en [2] se proponeun metodo para determinar la mejor configuracion posible, basandose en lasexpresiones de la energıa consumida en la recepcion y la transmision. Como sedemostrara mas adelante, el uso de una configuracion adaptada a la cantidadde trafico que deben soportar los nodos determina el ahorro de energıa y losdemas parametros de la red.
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Reduccion del consumo de energia del protocolo ZigBeeimplementando un protocolo MAC de bajo consumo6. Implementacion
Capıtulo 6
Implementacion
Buena parte de la carga de trabajo del presente proyecto de fin de carrera harecaıdo en disenar e implementar una version del protocolo ZigBee utilizando elsistema operativo Contiki, implementando el protocolo X-MAC para mejorar elrendimiento energetico del conjunto.
A pesar del hecho de que ZigBee es un protocolo de comunicaciones populary extendido existen muy pocas implementaciones en codigo abierto disponiblesen Internet. Open-ZB [4] esta implementada en el sistema operativo Tiny OS yescrita en lenguaje nesc.
La implementacion Open-ZB ha sido tomada como referencia para la imple-mentacion realizada en Contiki. Considerando las importantes diferencias entreContiki y TinyOS, la mayor parte del codigo fuente fue reescrita totalmente enC adaptado a la arquitectura de Contiki. Algunas partes no han sido implemen-tadas, bien por haber sido consideradas fuera de los objetivos de este trabajo opor dificultades tecnicas relacionadas con funcionalidades no implementadas enla presente version de Contiki.
La implementacion de un protocolo disenado en distintas capas es siempre unatarea compleja. Existen muchas alternativas para definir la manera en quelos distintos niveles interactuan entre sı. En este caso, se ha optado por lafuncionalidad en vez de por seguir de manera estricta la separacion en capas yentidades propuesta en la especificacion. No obstante, existe una diferenciacionentre las funciones implementadas para realizar acciones pertenecientes a cadacapa.
Las siguientes funcionalidades esta incluidas en la implementacion desarrollada:
• Version simplificada de CSMA/CA.
• Mecanismos de transmision directa e indirecta.
• Construccion de tramas.
• Recuperacion de carga util de tramas entrantes.
• Tramas de asentimiento (ACK) y otras tramas especiales.
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6. Implementacion
• Creacion de red.
• Proceso de descubrimiento de rutas.
• Gestion de las bases de informacion de los niveles PHY,MAC y NWK.
• X-MAC como protocolo MAC.
Caracterısticas no implementadas aun:
• Mecanismo GTS.
• Esquema de transmision basado en baliza.
• Escaneo de canales fısicos.
• Especificaciones de la capa de aplicacion.
La capa superior (APL) ha sido sustituida por un sencillo proceso que permiterealizar los experimentos disenados para determinar el rendimiento del conjunto.El proceso implementado en dicha “Capa superior” es el unico que se ejecutasin ser parte del nucleo del sistema operativo.
Quizas un elemento muy definitorio de una implementacion de este tipo es lamanera en que los paquetes enviados y recibidos son tratados. En este caso,cuando el chip de radio detecta un paquete entrante, una interrupcion llama auna funcion definida como la funcion de lectura (perteneciente al protocolo MACimplementado) en cada caso. Un protocolo MAC se define como un servicio deContiki, y especifica las funciones que deben ser llamadas en cada caso segunque evento es detectado (mensajes entrantes o salientes, etc.).
La capa de red (NWK) esta implementada mediante una serie de funcionesque se emplean para controlar distintas tablas en las cuales la informacion deenrutamiento y los demas parametros de red son almacenados. Estos elementosincluyen la tabla de enrutamiento, la tabla de descubrimiento de rutas y la tablade nodos vecinos.
Para llevar a cabo las funciones que le corresponden, la capa NWK hace usode los servicios ofrecidos por la capa MAC, enviando y recibiendo a traves deestas distintas tramas de control. Se han implementado los procedimientos dedescubrimiento de nuevas rutas y de enrutamiento, ası como la inicializacionde nuevas redes. Las tablas anteriormente mencionadas estan formadas por loscampos especificados en la descripcion del protocolo.
En cuanto a la capa MAC, esta implementada en dos partes diferenciadas. Porun lado, las funciones equivalentes a las entidades MCPS y MLME estan imple-mentadas mediante una serie de funciones que crean tramas con el formato ade-cuado y que las reconstruyen cuando una secuencia de bits es recibida. Tambiense contemplan distintas opciones para modificar parametros de configuracion ylos contenidos en la base de informacion del nivel mac (MAC PIB). Las fun-ciones “process incoming mpdu” y “create mpdu” son las encargadas de estastareas.
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6. Implementacion
Por otro lado, tambien forma parte de la implementacion de la capa MAC elprotocolo X-MAC disenado. 3 funciones principales se encargan de controlarel acceso al medio y enviar y recibir tramas de acuerdo con el procedimientodescrito en la seccion dedicada a X-MAC. Dichas funciones son read, send ypowercycle.
Al recibir un paquete, read determina si se trata de un paquete de la secuenciade preambulo. Si dicho paquete incluye la direccion del nodo que lo recibe,es consciente de que otro dispositivo esta intentando enviarle informacion. Elnodo envıa entonces un mensaje de asentimiento y deja su radio encendida a laespera del paquete final, que llegara unos milisegundos despues. Si el paquetedel preambulo tiene otro destino, el nodo apaga inmediatamente la radio paraahorrar energıa ya que no espera ningun paquete a continuacion. La figura 6.1muestra el esquema de la funcion de lectura.
Figura 6.1: Esquema basico de la funcion de lectura X-MAC.
La funcion send es empleada para transmitir informacion. Antes de transmitiruna trama de datos, el nodo envıa una secuencia de paquetes de preambulo enlos que se indica el nodo destinatario de la informacion. Despues de transmitircada uno de estos paquetes, el transceptor pasa a modo de recepcion duranteun corto periodo de tiempo esperando recibir un asentimiento a la secuencia delpreambulo. Cuando dicho asentimiento es recibido, el nodo deja de transmitirla secuencia del preambulo y pasa a enviar la trama de informacion.
La funcion powercycle se encarga de encender y apagar el transceptor de acuerdoa la configuracion del duty cycle seleccionada. Antes de cambiar el estado deltransceptor, la funcion verifica si el nodo esta intentando enviar informacion,para que el proceso no se interrumpa. La figura 6.2 muestra esquematicamenteel funcionamiento de la funcion.
Por debajo del nivel MAC se situa el nivel PHY. Este esta implementadobasicamente empleando los drivers incluidos en la actual version de Contiki.
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6. Implementacion
while(1){if(we_are_sending){PT_WAIT_UNTIL(transmission_complete);}
radio->off;set_timer(xmac_off_time);PT_WAIT_UNTIL(timer_expires);
...
if(we_are_sending){PT_WAIT_UNTIL(transmission_complete);}
radio->on;set_timer(xmac_on_time);PT_WAIT_UNTIL(timer_expires)}
Figura 6.2: Esquema basico de la funcion powercycle de X-MAC.
Cuando un paquete es detectado en el medio, una interrupcion hardware es aten-dida por una funcion especificada por el usuario. Dicha funcion corresponde conla funcion de lectura del protocolo MAC implementado ( X-MAC en este caso),y a su vez dicha funcion debe hacer uso de una funcion de lectura del bufferde la radio. En este caso, dicha funcion es cc2420 read, que accede al buffer yalmacena la informacion recibida en otro registro para que sea procesada por lacapa MAC.
Igualmente, para el envio de la informacion se emplea la funcion cc2420 send. Elproceso de transmision comienza en la capa MAC no obstante, y la funcion deldriver fısico es empleada para la transmision tanto de las tramas de informacioncomo de los paquetes que forman el preambulo.
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Reduccion del consumo de energia del protocolo ZigBeeimplementando un protocolo MAC de bajo consumo7. Experimentos
Capıtulo 7
Experimentos
Con el fin de comprobar la validez de la implementacion propuesta, 3 escenariosfueron disenados en los que se ha determinado el consumo energetico y el tiempode ida y vuelta de los paquetes.
7.1 Experimento 1
El primer escenario es el mas simple de todos, y su finalidad es comprobarel funcionamiento del protocolo en una situacion sencilla con solo dos nodoscomunicandose entre sı. En este caso no hay problemas de contencion ya quesolo uno de los dispositivos transmite informacion al mismo tiempo. La figura7.1 representa el escenario propuesto.
Figura 7.1: Esquema del Escenario 1
Las siguientes tablas resumen los resultados obtenidos:
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7. Experimentos
Tabla 7.1: Tiempo de ida y vuelta.
Protocolo MAC NULLMAC X-MAC 20% X-MAC 10% X-MAC 5%RTT(ms) 70.43 156 340 613
Tabla 7.2: Consumo energetico en modo recepcion del nodo sender.Protocolo MAC
Carga de trafico NULLMAC X-MAC 20% X-MAC 10% X-MAC 5%mW mW % mW % mW %
2 tramas/s 65.01 23.24 35.74 24.25 37.70 46.81 72.001 tramas/s 65.01 20.68 31.82 19.25 29.61 37.09 57.05
0.5 tramas/s 65.01 18.63 28.65 15.27 23.49 21.97 33.800.25 tramas/s 65.01 16.77 25.79 13.19 20.30 9.91 15.24
Como se puede comprobar, se obtiene una reduccion sustancial del consumo deenergıa, manteniendo el rtt unos valores aceptables. Puede observarse el impactoque tiene la cantidad de trafico en la red a la hora de escoger la configuracioncorrecta del duty cycle. Ademas, se observa el impacto que tiene dicha eleccionen la latencia del sistema.
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7. Experimentos
7.2 Experimento 2
El segundo escenario es similar al primero, pero en este caso dos nodos emisoresintentan comunicarse con un tercer nodo receptor. El hecho de que mas deun dispositivo trate de comunicar a la vez puede provocar interferencias queimposibilitan la recepcion correcta de la informacion.
La figura 7.2 muestra el escenario propuesto.
Figura 7.2: Esquema del Escenario 2
El hecho de que generalmente haya varios nodos compartiendo el medio hace queun protocolo MAC deba permitir la comunicacion fiable en esta situacion. Comopuede observarse, las retransmisiones necesarias empeoran el comportamientodel protocolo, especialmente en aquellos casos con mucho trafico transmitido,ya que las colisiones son mas frecuentes.
Como puede comprobarse, si hay pocas colisiones el comportamiento de los no-dos emisores es similar al obtenidos en el escenario anterior. No obstante, elnodo receptor presenta un mayor consumo debido a que realiza mas transmi-siones ya que debe enviar un asentimiento por cada mensaje recibido. Se puedetambien extraer que existe una relacion entre la cantidad de trafico transmitidoy el consumo, debido a que el transceptor esta encendido durante mas tiempocuando se debe transmitir una secuencia de preambulo.
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7. Experimentos
Tabla 7.3: Consumo energetico en modo recepcion de los nodos transmisor 1 ytransmisor 2.
Protocolo MACCarga de trafico NULLMAC X-MAC 10%
mW mW % % of collisions2 tramas/s 65.01 31.95 49.14 42.001 tramas/s 65.01 18.51 28.48 2.00
0.5 tramas/s 65.01 14.77 22.72 0.50.25 tramas/s 65.01 12.61 19.40 0
Tabla 7.4: Consumo energetico en modo recepcion del nodo receptor.Protocolo MAC
Traffic Rate NULLMAC X-MAC 10%mW mW %
2 tramas/s 65.01 34.02 52.331 tramas/s 65.01 24.01 36.93
0.5 tramas/s 65.01 19.17 29.480.25 tramas/s 65.01 14.89 22.91
Tabla 7.5: Tiempo de ida y vuelta. (X-MAC 10%).
Carga de trafico 2 tramas/s 1 tramas/s 0.5 tramas/s 0.25 tramas/sRTT(ms) 430 349 344 341
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7. Experimentos
7.3 Experimento 3
El tercer escenario es el mas complejo y pretende representar un sistema real queincluye nodos situados hasta a 3 saltos del destino de todos los mensajes. Losdispositivos transmiten en este caso menos trafico (1 mensaje cada 30 segundos).La figura 7.3 representa el esquema del escenario.
Figura 7.3: Esquema del Escenario 3.
En este caso, se compararon diferentes configuraciones incluyendo la obtenidaaplicando el procedimiento de optimizacion propuesto en [2]. Los resultados delexperimento son los siguientes:
Tabla 7.6: Consumo energetico en modo recepcion de todos los nodos.Protocolo MAC
Nodo NULLMAC X-MAC 10% X-MAC 4.5% X-MAC 2.5%mW mW % mW % mW %
Receptor 65.01 12.08 18.59 6.91 10.64 9.48 14.58Router 1 65.01 7.69 11.83 5.61 8.63 8.30 12.77Router 2 65.01 7.24 11.14 5.04 7.76 6.63 10.20Satelites 65.01 6.67 10.26 3.94 6.07 3.09 4.75
(promediado)End node 65.01 6.91 10.64 4.47 6.87 3.17 4.87
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7. Experimentos
Tabla 7.7: Tiempo de ida y vuelta.Protocolo MAC
Nodo NULLMAC X-MAC 10% X-MAC 4.5% X-MAC 2.5%ms ms ms ms
Router 1 78 230 290 640Router 2 166 450 610 1160Satellites 78 292 360 670
(averaged)End node 270 710 1190 2100
Se observa que los distintos nodos presentan distintos consumos de energıa, locual esta relacionado con el hecho de que deben transmitir distinta cantidadde trafico. En el caso de la configuracion optima, se obtiene una reduccion deconsumo de hasta un 90%, mientras que la latencia del sistema se mantienedentro de parametros aceptables.
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Reduccion del consumo de energia del protocolo ZigBeeimplementando un protocolo MAC de bajo consumo8. Conclusiones
Capıtulo 8
Conclusiones
Las redes de sensores inalambricos tienen un amplio rango de posibilidades.Muchas aplicaciones se pueden beneficiar de su versatilidad y bajo coste. Cadauna de las posibles aplicaciones presenta unas caracterısticas especiales quecondicionan el diseno de la red y los nodos.
El uso de un estandar ya desarrollado proporciona un numero de ventajas paralos desarrolladores y los usuarios finales. ZigBee es una excelente eleccion para lamayorıa de aplicaciones relacionadas con este campo, pero debe ser combinadocon un protocolo MAC eficiente para conseguir unas caracterısticas de consumoaceptables.
La version desarrollada de X-MAC ha demostrado ser una solucion adecuada.Como han demostrado los experimentos realizados, el consumo se reduce hastaen un 90% en escenarios parecidos a una implementacion real de un sistemainalambrico.
La eleccion de una configuracion apropiada de los parametros del duty cycle esfundamental para obtener resultados satisfactorios. El uso de una aplicacion deoptimizacion permite la obtencion analıtica de dichos parametros. Sin embargo,y dado que la principal variable de dicho proceso es la carga de trafico, y queesta puede no mantenerse constante en el tiempo, la posibilidad de hacer esteproceso de optimizacion adaptable en el tiempo debe ser estudiada.
Una limitacion notable de la actual implementacion es que, debido a las limita-ciones de los temporizadores empleados en Contiki, el mınimo tiempo de escuchaes de 20ms. Si esta limitacion puede ser disminuida las ventajas en cuanto alconsumo energetico seran notables, ya que permitirıa la misma conectividaddisminuyendo aun mas el tiempo que pasa encendida la radio.
Asimismo, otros enfoques del problema del consumo energetico deben ser com-binados con un protocolo MAC eficiente para obtener una solucion integralcon unos resultados lo bastante buenos como para obtener un sistema semi-permanente. Esos otros enfoques incluyen la posibilidad de establecer una es-trategia de enrutamiento basada en el mayor o menor consumo de los distintosnodos de la red [10] , o en modificar el hardware introduciendo, por ejemplo,baterıas recargables y una placa solar[9].
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8. Conclusiones
Resumiendo, la combinacion de X-MAC y otras soluciones MAC con protocolosde comunicacion inalambrica como ZigBee pueden ampliar el tiempo de vida debaterıas de manera considerable. No obstante, aun debe hacerse un esfuerzo enla investigacion de mejoras en este tipo de solucion y en otras alternativas paraobtener una mayor reduccion en el consumo.
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Reduccion del consumo de energia del protocolo ZigBeeimplementando un protocolo MAC de bajo consumoBIBLIOGRAFIA
Bibliografıa
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[6] Dunkels, A., Schmidt, O., Voigt, T., and Ali, M. Protothreads:Simplifying event-driven programming of memory-constrained embeddedsystems. In Proceedings of the Fourth ACM Conference on EmbeddedNetworked Sensor Systems (SenSys 2006) (Boulder, Colorado, USA, Nov.2006). 13
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BIBLIOGRAFIA
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