Implementación y evaluación experimental de protocolos de control de acceso al medio basados en slotted-ALOHA y tree-splitting para redes de sensores inalámbricos PDF Download

Author: Sergio Luz Fernandez
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Una de las principales problemáticas en las redes de comunicaciones M2M (Machine-to-Machine) es la gran cantidad de dispositivos que intentan acceder al canal de comunicaciones simultáneamente. Esto se agrava en aquellas aplicaciones en las que la cantidad de dispositivos es desconocida. Para resolver esta problemática, es necesario diseñar protocolos de control de acceso al medio (MAC) que se encarguen de gestionar el acceso de los dispositivos al canal de comunicaciones de una manera eficiente. Este proyecto tiene cómo objetivo implementar y evaluar el rendimiento de tres protocolos adecuados para redes M2M: Frame Slotted Aloha con feedback (FSA-FB), FSA sin feedback (FSA-noFB) y Contention Tree Algorithm (CTA). Los tres protocolos se han desarrollado sobre Contiki OS, se ha verificado su funcionalidad sobre el simulador Cooja, y se ha evaluado su rendimiento experimentalmente sobre motas inalámbricas Zolertia Z1 que operan en la banda frecuencial de 2.4GHz. Las motas Z1 incorporan transceptores radio CC2420 de Texas Instruments, cuya capa física cumple con el estándar IEEE 802.15.4. Además, las motas Z1 tienen sensores integrados y disponen de un puerto Universal Serial Bus (USB) para ser controlados desde un ordenador y transferir los datos al mismo. Las motas Z1 han sido programadas con el lenguaje de programación C, que se compila usando una aplicación de libre distribución montada sobre el sistema operativo Linux llamada Contiki y que se instala en las motas. El escenario de pruebas está compuesto por una mota coordinadora y un conjunto de motas esclavas o "slaves". El coordinador envía un comando para interrogar a los esclavos, los cuales responden de manera controlada ejecutando las reglas del protocolo MAC para enviar una cierta información de prueba. Las motas están programadas para ejecutar los protocolos MAC, medir el tiempo (retardo) que necesitan para finalizar con éxito todas las transmisiones de datos al coordinador y su consumo de energía durante la transferencia de datos. Este consumo se mide mediante la herramienta powertrace de Contiki. Este trabajo se ha centrado en comparar los protocolos FSA-FB, FSA-noFB y CTA en términos de retardo y consumo energético. Se han obtenido y comparado medidas experimentales y resultados de simulaciones hechas con Cooja. A lo largo del proceso, se han identificado los problemas asociados a la implementación software, comparando los resultados teóricos y los simulados, y las complicaciones derivadas de la implementación real observando las diferencias entre los resultados simulados y los de la implementación real. Tanto los resultados obtenidos sobre el simulador Cooja cómo los resultados experimentales demuestran que el protocolo más eficiente en términos de retardo es FSA-FB cuando se dispone de una buena estimación del número de esclavos. Sin embargo, CTA y FSA-FB son más eficientes en términos de consumo energético en función del número de slots por trama. Para experimentos con un número reducido de slots, de 3 a 10, CTA se sitúa cómo el protocolo más eficiente, sin embargo, a partir de 10 slots por trama FSA-FB pasa a ser el más eficiente.