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RISTI - Revista Ibérica de Sistemas e Tecnologias de Informação

versão impressa ISSN 1646-9895

RISTI  no.34 Porto out. 2019

http://dx.doi.org/10.17013/risti.34.54-67 

ARTÍCULOS

Planificación estática para la transmisión de datos en tiempo real con WSN

Static Scheduling for Real-Time Data Transmission with WSN

Sixto Enrique Campaña Bastidas1, Jorge Mario Londoño Peláez2

1 Universidad Nacional Abierta y a Distancia - UNAD, Calle 14 No 28 - 45, C. P. 520001 - Pasto - Nariño, Colombia, sixto.campana@unad.edu.co

2 Universidad Pontificia Bolivariana, Circular 1 No 70 - 01, C.P. 050031, Medellín - Antioquia, Colombia, jorge.londono@upb.edu.co


 

RESUMEN

Este documento presenta un método (algoritmo) de planificación para la transmisión de datos en tiempo real con redes de sensores inalámbricas (WSN), basado en técnicas de planificación estática y aplicado a redes que utilicen espacios de tiempo (time-slot) para la transmisión de datos en eventos periódicos, donde se garantice un tiempo acotado de transmisión. El documento presenta en primera instancia la revisión de algunos algoritmos existentes para transmisión en tiempo real con WSN, para luego explicar el algoritmo desarrollado y los resultados encontrados que permitieron validar la solución propuesta.

Palabras-clave: Redes de sensores inalámbricas; Algoritmos de planificación; GTS; IEEE802.15.4.


 

ABSTRACT

This document presents a planning method (algorithm) for the transmission of data in real time with wireless sensor networks (WSN), based on static planning, applied to networks that use time slots for the transmission of data in periodic events, guaranteeing a limited time of transmission. The document presents in the first instance the review on techniques for transmission in real time with WSN, to then explain the developed algorithm and the results found that allowed validating the proposed solution.

Keywords: Wireless Sensor Networks; Planning Algorithms; GTS; IEEE802.15.4.


 

1. Introducción

El problema de la transmisión de datos en redes de sensores inalámbricas (WSN), con garantías de tiempo real, es un tema que tiene referentes importantes en la comunidad científica internacional, pero que aún no dispone de una solución, que satisfaga este requerimiento completamente (Campaña & Londoño, 2016), por lo que se ha considerado que la transmisión de datos en tiempo real con WSN es un tema abierto y con muchas posibilidades de mejora. Por lo anterior este documento presenta un nuevo procedimiento para garantizar este tipo de transmisión con WSN, particularmente a partir de la planificación de los recursos con los cuales se cuenta para la transmisión de datos en la red, tomando como referente a la norma IEEE 802.15.4.

El algoritmo de planificación que se desarrolló (PEMM, planificación estática con técnicas matemáticas MCD (Máximo común divisor) y MCM (Mínimo común múltiplo)), parte de realizar una evaluación de la factibilidad a partir de un número de nodos que participan en una WSN, el tamaño de los paquetes a transmitir, los periodos de transmisión y la cantidad de recursos disponibles en la capa MAC. El diseño de PEMM, se basa en el concepto de supertrama definido por el estándar IEEE 802.15.4 y en particular del modo de operación por intervalos de tiempo garantizados (Guaranteed Time Slots - GTS), que establece un mecanismo para la reserva de particiones de tiempo (time-slots) para la transmisión de datos.

PEMM fue comparado con otras soluciones, mencionadas más adelante, con el fin de establecer similitudes y diferencias con las mismas, además fue diseñado en seudocódigo y programado en SCILAB (Campbell, Chancelier, & Nikoukhah, 2006), que es un programa de análisis matemático de tipo software libre, por ello los resultados presentados se basan en la simulación de casos de situaciones reales. Por otra parte, PEMM basa sus cálculos en las variables de la supertrama que maneja el estándar IEEE802.15.4, ver Figura 1. La estructura del documento parte de la comparación de algunos algoritmos previos existentes versus el algoritmo PEMM, luego se explica el funcionamiento del algoritmo a partir de un ejemplo que fue simulado y se termina con las conclusiones, resultado de la investigación.

 

 

2. Estado del Arte: algoritmos previos versus PEMM

Los algoritmos con los que se hizo el comparativo fueron los de: I-Game (Koubaa, Alves, & Tovar, 2008), EGSA (Chen, Ferreira, & Tovar, 2011), Haque (Haque, 2012), Yoo (Yoo et al., 2010), GAS (Na, 2011), ADA-MAC (Xia, et al., 2012) y FieldBus (Choi & Kim, 2008); los cuales se seleccionaron por la similitud con el método de planificación propuesto, dado que todos trabajan con time-slot en su planificación. La comparación realizada parte definiendo las características de PEMM, ver Tabla 1.

 

 

Ahora se procede a la comparación del algoritmo PEMM (ver tabla 1), con los algoritmos que se tomaron para el estudio. A continuación, se encontrarán las tablas (2-8), donde se pueden apreciar las diferencias más importantes entre estos algoritmos.

 

 

3. Funcionamiento Algoritmo PEMM

PEMM toma como entradas las características de una WSN con una cantidad finita de nodos y un nodo coordinador de la red, conectados en topología estrella. También asume que el coordinador de la WSN hizo el proceso de sincronización previo y cuenta con las variables que trabaja el algoritmo, que corresponden a: N, que define el número de nodos; P, que es el tamaño de los paquetes que envían los nodos y T que son los periodos en los que deben transmitir los nodos para enviar los datos al coordinador. Las variables Rts y Nts corresponden al rango de time-slot (time-slots que se asignan en la transmisión, indicando el inicio y final en la supertrama) y número máximo de timeslots, respectivamente, valores que dependerán del estándar con el que se esté trabajando. Para el caso de IEEE 802.15.4, que ha sido el ejemplo utilizado para la solución propuesta, corresponden a: Rts = [3, 4 …16] y Nts = 13. Por otra parte, BSFD (Mínimo tamaño de un time-slot) es igual 960 símbolos y en tiempo a 0,01536 sg.

Cuando se tiene una WSN con siete o menos nodos, PEMM valida principalmente el tamaño de los time-slot y busca los valores que permitan la asignación de GTS a cada uno de los sensores que conforman la red, acorde con la planificación propuesta. Pero cuando hay más de siete sensores en la WSN, PEMM busca una planificación que garantice la transmisión en tiempo real. Para estos casos se analiza el intervalo de beacon y la relación de transmisión de datos de cada sensor, con el fin de encontrar un posible valor de BO y SO que se ajuste a los requerimientos de la aplicación. En los dos casos anteriores PEMM busca determinar si es factible o no la transmisión en tiempo real.

Por otra parte, uno de los aspectos que controla PEMM, corresponde a verificar que el número de time-slot no sobrepase el valor de 13 por supertrama y que los GTS sean máximo siete. En los casos cuando la WSN se componen de más de siete nodos, se evalúa el comportamiento de los mismos hasta llegar al macrociclo de la red, si en dicho tiempo se supera los 13 time-slot o los 7 GTS, se disminuye en 1 el valor de BO, siempre y cuando SO sea menor (ver Figura 1). Cuando se hace este proceso se disminuye el BI y se dispone de otros intervalos disponibles para asignar los periodos de los sensores de la WSN, si se encuentra una opción factible en esta asignación se dice que la WSN es factible para tiempo real, caso contrario es no factible.

4. Resultados

4.1. Aplicación paso a paso del Algoritmo PEMM

Paso 1: Lo primero que realiza PEMM es obtener los valores de BO y SO de la WSN propuesta, lo que permite conocer el BI y SD respectivamente. Para efectos de comprender el proceso se tomará un ejemplo, donde una WSN está compuesta por 10 sensores, en la Tabla 9 se pueden observar los datos iniciales.

 

 

Luego de aplicar el paso uno, se obtienen los siguientes resultados, ver Tabla 10:

 

 

Paso 2: Con los datos antes calculados y registrados en la Tabla 10, el algoritmo procede a calcular la cantidad necesaria de time-slot por nodo sensor y evalúa la factibilidad de transmitir en tiempo real con la asignación de máximo 7 GTS por supertrama, en la Tabla 11 se puede observar el cálculo realizado.

 

 

Paso 3: Como se puede observar, según los valores obtenidos y registrados en la Tabla 11, la WSN con 10 nodos requerirá en un determinado momento 20 time-slots, como máximo para poder transmitir en tiempo real, situación que no es factible acorde con los parámetros del estándar IEEE 802.15.4, el cual sólo permite 13 time-slot. En este caso PEMM busca hacer factible la planificación, para lo cual en primera instancia verifica si BO es mayor a SO, si es así disminuye en una unidad BO, lo que permite contar con el doble de periodos de BI, así como también se hace una reorganización de los sensores de la WSN en dos grupos, donde el primer grupo enviará los datos según le corresponda en el BI que se adapte a su periodo, mientras que el segundo grupo se desplazará en una unidad de BI con respecto al periodo inicialmente planteado. En la Tabla 12 se pueden observar los cambios que hizo PEMM en este paso.

 

 

Paso 4: Cuando se hace el cambio propuesto en el paso 3, PEMM evalúa la factibilidad de cumplir con los requerimientos del mismo para poder transmitir en tiempo real. En este caso lo que se busca es que se transmitan máximo 7 GTS y 13 time-slot en cada generación de supertrama. Para validar este requerimiento se ejecuta las iteraciones de los BI hasta que se cumpla el Macrociclo, si en dicho proceso se encuentra que, en cada BI, las supertramas manejan hasta 7 GTS y máximo 13 time-slot, se dice que la WSN es factible para transmisión en tiempo real, caso contrario se disminuye nuevamente BO, siempre y cuando SO siga siendo menor. En el caso de la WSN de 10 sensores se hicieron las disminuciones correspondientes hasta llegar BO = SO, y no se cumplió con el requerimiento planteado, por lo anterior se realizó un nuevo paso. En la Tabla 13, se pueden observar las iteraciones que hizo PEMM.

 

 

Paso 5: Debido a que no se logró cumplir con el requerimiento del estándar en el paso anterior, PEMM en un nuevo paso divide el conjunto de sensores en tres grupos, donde el primer grupo trabaja con el periodo inicialmente programado, el segundo grupo trabaja con el desplazamiento en una unidad de BI y el tercer grupo con el desplazamiento de dos unidades de BI, se valida nuevamente según el macrociclo de los periodos del conjunto de sensores que constituyen la WSN y se obtuvo que la red es factible para la transmisión en tiempo real cuando BO = 9, pero trabajando con tres grupos de sensores. En la Tabla 14, se puede observar el resultado obtenido.

 

 

En la Tabla 14, se puede observar que se tiene una primera columna con las iteraciones que hace PEMM en el proceso de validación de los valores de BO y SO para hacer factible la transmisión en tiempo real. En la segunda columna se tiene a BI que es el intervalo de beacon de la red y que en el caso que se ha tomado corresponde a 7,86 sg, luego están las columnas de los sensores de S1 a S10, donde se ubica la cantidad de time-slot que requieren para transmitir los datos que capturan, que a su vez se constituyen en los GTS que utiliza la WSN para transmitir en tiempo real. Como se mencionó anteriormente los sensores de la WSN de 10 nodos se organizaron en tres grupos: Grupo 1 (S1, S2, S3), Grupo 2 (S4, S5, S6) y Grupo 3 (S7, S8, S9, S10), los cuales transmiten en el BI que les corresponde, manteniendo sin cambios al Grupo 1, pero para el Grupo 2, se hizo un desplazamiento de una unidad en lo que corresponde a la iteración (itera) y para el Grupo 3 se hizo el desplazamiento de dos unidades, lo que evitó que todos los sensores transmitieran en el mismo BI con los 20 time-slot que requieren, sino por el contrario se manejará grupos que no superan los 13 time-slot, ni los 7 GTS necesarios para la transmisión en tiempo real. Al validarse esta solución se determina que la WSN debe trabajar con BO = 9 y SO = 1, en una subdivisión de tres grupos de sensores.

5. Discusión y Conclusiones

Las redes de sensores inalámbricas (WSN) brindan un soporte estructural para nuevas tecnologías, tales como el Internet de las Cosas (IoT) o los sistemas ciberfísicos (CPS), donde uno de los requerimientos importantes es la transmisión de datos en tiempo real. Los estándares para WSN se apoyan en mecanismos de acceso al medio como la multiplexación estadística (e.g. CSMA/CA), la multiplexación por división en el tiempo o por división en la frecuencia. Sin embargo, el modelo de multiplexación estadística no permite satisfacer requerimientos de tiempo real debido a la latencia no determinista introducida por el mecanismo de acceso al medio. Por tal motivo, la investigación en esta área se centra en el uso de métodos de multiplexación como mecanismos para brindar garantías de tiempo real. Sin embargo, la revisión del estado del arte arrojó que los métodos disponibles en la literatura aún son muy limitados en cuanto a proporcionar soluciones factibles utilizando los recursos limitados de la red y en cuanto a su capacidad de escalar el sistema cuando se requieren altas cantidades de sensores.

Este trabajo abordó estos problemas en el contexto especifico de WSN, donde los requerimientos de los sensores se expresan en función de la periodicidad de sus transmisiones y minimizando la latencia de las transmisiones, eliminando la necesidad de mecanismos de contención para el acceso al medio a través de un esquema de planificación coordinado. Para este efecto se diseñó un algoritmo de planificación que se ha denominado PEMM, el cual toma como entradas los requerimientos de un conjunto de sensores y las restricciones de la tecnología utilizada para la implementación de la WSN, para determinar un esquema de planificación factible en caso de ser posible, o reporta la no factibilidad de la instancia del problema en cuestión. El encontrar una solución factible posibilita el despliegue de la aplicación, garantizando los requerimientos de los sensores y el cumplimiento de las restricciones de la infraestructura de red. En el caso de no ser factible el esquema, PEMM proporciona información que permite al diseñador de la aplicación revisar sus características, de forma que se convierte en una herramienta que ayuda a ajustar el diseño del sistema para hacerlo factible.

El algoritmo de planificación fue verificado por medio de un conjunto de casos de prueba reales y sintéticos que permiten corroborar la factibilidad o no factibilidad del esquema de planificación obtenido. Este proceso se ha realizado ajustando el algoritmo a las restricciones de un caso concreto de tecnología para la implementación de redes WSN, el estándar 802.15.4. Así mismo, se implementaron y se comprobaron los beneficios del esquema de planificación en redes prototipo basadas en este estándar. Los casos sintéticos permitieron validar que el esquema permite escalar la red de sensores sin necesidad de hacer cambios al estándar, una de las limitaciones que con mayor frecuencia se identificó en el estado del arte.

 

REFERÊNCIAS

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Recebido/Submission: 11/06/2019

Aceitação/Acceptance: 16/08/2019

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