Análisis de la trayectoria de una red de sensores inalámbricos específica del canal

Resumen

Se presentan los datos de la ruta específica de un canal para una red de sensores de 2,4 GHz de 46 nodos desplegada en un entorno industrial. Cada nodo genera un paquete de datos cada 28 segundos con el número de transmisiones, los acuses de recibo, el promedio de RSSI y otras métricas para una sola ruta de vecinos en un solo canal durante cada 15 minutos de funcionamiento. Se registraron cuatro días de datos, que revelaron el alcance de la variación temporal de la estabilidad en la red y cómo ésta depende de la frecuencia. Especialmente en los trayectos de baja potencia, se observa que la RSSI y la estabilidad varían de forma imprevisible y difieren de otros trayectos en la misma vecindad espacial. El salto de canales y la diversidad de trayectorias consiguen mantener una fiabilidad casi perfecta a pesar de esta variación temporal y de frecuencia.

Introducción

Las redes de sensores inalámbricos que funcionan en interiores se enfrentan a problemas de propagación de radiofrecuencia que dan lugar a una intensidad de señal variable en el tiempo y a interferencias en el receptor. Estos efectos son difíciles de predecir en la fase de creación de la red. En el ámbito de las redes de sensores inalámbricos, los efectos de la intensidad de la señal se han estudiado principalmente con fines de localización1. Los efectos de la multitrayectoria, en particular, son problemáticos porque pueden tener impactos diferentes en los distintos canales de comunicación y pueden cambiar a medida que las personas y las máquinas modifican el entorno de radiofrecuencia. Un ejemplo de la gravedad de los efectos multitrayectoria en la banda de 900 MHz en las escalas de tamaño de interés se presenta en2. Aunque existen estrategias de predicción para determinar el número y la ubicación de los nodos de una red, el rendimiento real medido de una red bien planificada puede variar considerablemente respecto a lo que se predice en estos modelos. Despliegue en un entorno industrial3 se midió para evaluar las características del canal de un pequeño número de trayectos con el mismo hardware de radio que utilizamos y mostró una variación en la estabilidad del trayecto. Protocolos como ZigBee4 permiten redes monocanal conectadas en estrella, lo que puede provocar la pérdida de datos si esta variación es lo suficientemente grande.

Este artículo detalla el primer experimento, hasta donde sabemos, que mide los efectos de las variables en tiempo real en diferentes canales de una red de sensores de vigilancia que transportan tráfico real. Las estadísticas presentadas tienen como objetivo principal ilustrar algunos de los fenómenos observados en la red, pero se pretende que el conjunto de datos se utilice como entrada de prueba para simulaciones de redes de sensores inalámbricos.

Lugar de la prueba

Figura 1: Topología de red multisalto. Las flechas representan los caminos utilizados en la red y apuntan a la pasarela.

La red está desplegada en una imprenta de Berkeley, California, y lleva 25 días funcionando en el momento de escribir este artículo. El edificio tiene una huella rectangular, que mide 250 pies x 225 pies (1,5 acres) y tiene tres pisos de altura. La planta está dividida en tres zonas distintas con diferentes barreras de propagación. El tercio sur contiene numerosas celdas de impresión de pequeños trabajos que procesan folletos, papeletas, volantes y pequeños catálogos. El tercio central alberga el centro de litografía y medios digitales en la planta baja, con dos plantas de oficinas generales por encima. El tercio norte alberga una gran máquina de impresión que recibe rollos de papel de 5 toneladas en un extremo y expulsa manuales técnicos acabados en el otro. También en esta nave se encuentran los motores de tratamiento de aire de toda la instalación. Hay muchos obstáculos en la zona de trabajo que podrían impedir la comunicación por radiofrecuencia y causar reflexiones multitrayecto, pero no hay fuentes importantes de interferencia.

El gestor de la red se encuentra en la planta superior de la sección de oficinas. se han desplegado 46 nodos de radio en toda la instalación, en las zonas de fabricación cerca y alrededor de varias máquinas de impresión, en las zonas de litografía y en las zonas de oficinas. Los nodos informan al gestor de la red de los vecinos que están dentro del alcance de la radiofrecuencia y, a partir de estas posibles conexiones, el gestor de la red intenta crear una red lo más sana posible. Muchos de estos caminos potenciales permanecen sin utilizar hasta que se necesitan para reparar los fallos del camino. Los nodos menos conectados sólo informaron de 4 vecinos potenciales, mientras que el nodo más conectado informó de 26 vecinos potenciales. Los nodos más alejados de la red de malla autoensamblada resultante tenían una profundidad de salto mínima de 3 saltos. La profundidad media de los saltos de todos los paquetes para todos los nodos fue de 2,48 saltos por paquete. En la figura 1 se muestra la conectividad de la red mostrando sólo los caminos utilizados.

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Todos los nodos de la red utilizan el mismo hardware y software y realizan tanto funciones de generación de datos como de encaminamiento. Los nodos utilizan el TI Chipcon CC24205 radio con un amplificador de potencia para aumentar la potencia de salida. La salida es de 15 dBm de EIRP nominal y tiene una variación entre dispositivos de +12 a +17 dBm a 25 °C.

Protocolos de red

La red desplegada se ha diseñado para proporcionar una recogida de datos periódica de alta fiabilidad de todos los nodos sensores y sigue reglas de aprovisionamiento de enlaces similares a las presentadas en6. La red es multidimensional: todos los datos se recogen en un nodo pasarela que retransmite los paquetes al gestor y luego al usuario. La red funciona con el Protocolo de Malla Sincronizada (TSMP) de Dust Networks,7). El TSMP calculado de forma centralizada determina cuál de los 16 canales disponibles, tal y como se define en la especificación de la capa PHY 802.15.4, es4 (a partir de 2,40 GHz y con una separación de 5 MHz) deben utilizarse para cada operación. Durante una ranura de transmisión, el nodo transmisor realiza primero una evaluación del canal claro (CCA) en el canal especificado y, si lo supera, transmite el paquete al receptor que espera. Si el paquete CRC pasa en el receptor, éste envía inmediatamente un acuse de recibo al emisor original en el mismo canal dentro de la misma franja de 31,25 ms. Cada paso de mensaje exitoso consiste en la transmisión y recepción exitosa del paquete original y un acuse de recibo en el mismo canal.

En este experimento, los datos propiamente dichos consistían en informes periódicos sobre la calidad de las vías de comunicación, donde una vía representa todas las transmisiones entre un pareja de los nodos inalámbricos. Permitimos que cada nodo tenga hasta 8 vecinos y nos comunicamos por los 16 canales. Por lo tanto, cada trayecto se descompone en 16 canales de trayecto que representan el tráfico en un canal concreto de ese trayecto. Una descripción completa de todos los canales de trayectoria de un solo nodo requiere 128 entradas, de las cuales 4 pueden caber en un solo paquete. Para informar sobre todos los canales de la ruta una vez cada 15 minutos se necesita un paquete cada 28 segundos por nodo.

El sitio salud de cada canal de trayectoria se compone de los siguientes datos, que son comunicados por cada nodo y reiniciados cada 15 minutos:

  • Número de canal
  • Identificación del vecino
  • Número de transmisiones
  • Número de transmisiones CCA fallidas
  • Número de eventos «No ACK»
  • Número de fallos ACK CCA
  • Número de recepciones
  • Promedio de RSSI para todas las recepciones
  • NIC medio de todas las recepciones

Una secuencia de transmisión exitosa hace que se incremente el número de transmisiones del nodo emisor y el número de recepciones del nodo receptor, y que se promedien las nuevas mediciones de RSSI y LQI sobre el ACK. Una transmisión sin recepción de ACK provoca el incremento del contador «No ACK» en el emisor y podría dar lugar a algunos resultados posibles en el receptor. Para los siguientes resultados, definimos la estabilidad de un canal de trayectoria, medida en el extremo de transmisión de la trayectoria, como :

wsn-path-equation

Es posible que el paquete original sea recibido y puesto en cola por el receptor, pero que el ACK falle en el emisor original. Este evento da lugar a un paquete duplicado y cuenta para la estabilidad en esta medida.

Los nodos más cercanos a la pasarela tendrán más intentos de transmisión en nuestra arquitectura porque todos los mensajes se filtran en su dirección. Nos aseguramos de que cada nodo transmita al menos una vez por minuto a cada uno de sus dos padres, por lo que incluso los nodos menos ocupados deberían registrar las estadísticas de unos 30 intentos de transmisión por cada periodo de informe de 15 minutos.

Estabilidad general de la red

La red llevaba quince días en funcionamiento antes de que se recogieran las 97 horas de datos de la trayectoria. Durante los 4 días del experimento, los mismos 91 caminos siguieron siendo los más concurridos de la red, y la media de todos estos caminos da una estimación aproximada del comportamiento global de la red. La figura 2 muestra la estabilidad de la red promediada en el tiempo para cada canal. En este gráfico, ningún canal parece significativamente mejor o peor que otro cuando se promedia el tiempo y las rutas, y la red parece funcionar bien en todas las frecuencias. Sin embargo, como se verá en las siguientes secciones, las propiedades de los canales pueden variar considerablemente a lo largo del tiempo y del espacio.

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El uso de la CCA como medio para reducir los costes de energía evitando las transmisiones fallidas no tiene éxito en este entorno, como se muestra en la figura 3. El canal más común para los fallos de la CCA hace que se pierdan el 0,13% de las transmisiones, lo que es mucho menor que el ~10% de los paquetes que finalmente fallan en este mismo canal. El escaso número de fallos de la CCA indica que la pérdida de estabilidad no se debe probablemente a las interferencias en la banda de las fuentes de energía externas.

Al afinar el análisis de la estabilidad media a nivel de trayecto, se observa que hay trayectos de peor rendimiento en la red. En la figura 4 se muestra un histograma de estas estabilidades medias. Durante la construcción automatizada, la función de gestión de la red no selecciona explícitamente las rutas con alta estabilidad, pero las que tienen baja estabilidad tienden a fallar durante el entrenamiento de la red. Por lo tanto, hay una autoselección de las vías de alta estabilidad y un sesgo hacia la estabilidad en las redes que funcionan. Sin embargo, cuando descomponemos las trayectorias en canales de trayectoria, la cola de la distribución se extiende hasta el origen, como se muestra en la Figura 5. Elegir erróneamente un canal de trayectoria de baja estabilidad en una red de frecuencia única y no redundante provocaría la pérdida de datos.

Figura 2. Estabilidad en función del canal, promediada en todos los trayectos y en el tiempo. Se produjo una media de 272550 intentos de transmisión en cada canal.

Figura 3: Fallos de la CCA en función del canal, promediados en todos los trayectos y tiempos. El canal más conflictivo (canal 4) tuvo 345 fallos de CCA de 270430 intentos de transmisión.

Figura 4: Histograma de las 91 trayectorias utilizadas y de la estabilidad.

Figura 5: Histograma de los 1456 canales de acceso utilizados. Hay varios canales de trayectoria por debajo del más bajo (35%) observado al promediar todos los canales, como en la figura 4.

Análisis de la trayectoria individual promediada en el tiempo

Al promediar la duración del experimento, se aprecian tendencias en la estabilidad general de la trayectoria. La trayectoria entre los nodos 44 y 56 se resume en la figura 6. Esta ruta tuvo el mayor tráfico de todas las rutas sin pasarela. La estabilidad varía desde un mínimo cercano al 5% en el canal 2 hasta un máximo superior al 95% en otros cuatro canales. En la Figura 7 se muestran los datos RSSI promediados durante el mismo periodo. Los canales con mayor intensidad de señal medida corresponden a una mayor estabilidad, pero lo contrario no es necesariamente cierto, ya que hay poca diferencia en la intensidad de señal de los canales de baja y mala estabilidad. La correlación entre el RSSI y la estabilidad sugiere que las diferencias en la energía de la señal, y no las interferencias, son las responsables del rango de estabilidad. Esto puede deberse a los efectos de multitrayectoria o a la dependencia de la opacidad de RF de los obstáculos a diferentes frecuencias. Por último, en la figura 8 se muestra la media del indicador de calidad del enlace (LQI) medido, proporcionado directamente por el CC2420. Aunque la escala y el desplazamiento de esta medida son exclusivos del vendedor, la forma general del gráfico coincide con la de la estabilidad del canal de la trayectoria, lo que sugiere que es una medida válida del éxito del canal de la trayectoria. Sin embargo, tiene la misma dependencia temporal que veremos para la estabilidad y el RSSI, por lo que no puede utilizarse para predecir el rendimiento, sino sólo para medirlo. El RSSI y el LQI sólo se miden en los paquetes exitosos, por lo que hay un sesgo hacia lecturas más altas para ambos.

Figura 6. La estabilidad de la trayectoria 44→56 muestra una clara dependencia de la frecuencia. Se produjo una media de 2437 transmisiones en cada canal.

Figura 7. RSSI en la ruta 44→56. Los cuatro más altos Figura 6. La estabilidad de la trayectoria 44Æ56 muestra una clara dependencia de la frecuencia. Se produjo una media de 2437 transmisiones en cada canal. Los canales RSSI corresponden a los de mayor estabilidad en la Figura 6.

Figura 8. LQI en la trayectoria 44→56. La forma general se corresponde con el gráfico de estabilidad de la figura 6.

Figura 9. Tres trayectorias, incluida la de la figura 6, tienen una estabilidad alta y baja en diferentes canales.

La estabilidad de tres trayectorias diferentes, de nuevo promediada en el tiempo y desglosada en estadísticas de trayectoria y de canal, se muestra en la Figura 9. Se eligió la trayectoria original 44Æ56 y una trayectoria que incluyera cada punto final. Ninguno de los otros caminos tiene una estabilidad baja en los canales 2 o 10, donde el original tiene el peor rendimiento, y ambos tienen al menos un canal de baja estabilidad donde otro camino tiene un rendimiento relativamente bueno. Este comportamiento ilustra que la estabilidad de los canales en la trayectoria no depende exclusivamente de un único punto final, sino de la naturaleza física de la trayectoria entre los dos nodos. La medición del ruido en el entorno de un nodo no es suficiente para predecir el comportamiento frecuencial de las trayectorias asociadas.

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Análisis de series temporales de una sola vía

Promediar en el tiempo, como se hizo en el apartado anterior, enmascara el comportamiento temporal que varía entre los canales de una ruta determinada. El comportamiento de la serie temporal de dos canales del trayecto, junto con el comportamiento medio del trayecto, se muestra en la Figura 10. Hemos elegido dos canales de estabilidad media que tienen diferente varianza temporal. Aunque no hay una tendencia general en la estabilidad media de esta trayectoria, hay descensos de estabilidad a largo plazo en los canales individuales de la trayectoria. En este ejemplo, hay periodos de tiempo en los que el canal 6 está al 100% mientras el canal 11 está al 0% y viceversa.

Figura 10. La estabilidad media de la trayectoria de 44→56 no tiene en cuenta la extrema varianza temporal de los canales componentes.

Si se trazan los RSSI medidos en los mismos canales y en el mismo intervalo de tiempo, se obtiene la figura 11. Este gráfico muestra que los cambios en la estabilidad del canal van acompañados de cambios en el RSSI aproximadamente en los mismos momentos y en la dirección correcta, e ilustra cómo las dos lecturas del RSSI pueden seguir tendencias opuestas. Los puntos de cruce corresponden aproximadamente a los momentos en que los niveles de estabilidad cambian de 0 a 100%. Durante los periodos de 15 minutos en los que ningún paquete tuvo éxito, no se toman lecturas de RSSI y el gráfico no muestra puntos de datos para este periodo. Por lo tanto, la RSSI real, si se puede medir, habría sido inferior a las mostradas.

La simetría de la ruta puede analizarse comparando la RSSI comunicada por cada extremo de la ruta. Aunque los dos nodos reciben diferentes tipos de paquetes, el CC2420 utiliza el mismo preámbulo de secuencia de bits para medir el RSSI. La secuencia temporal de la RSSI promediada en todos los canales se muestra en la Figura 12. Aunque las dos curvas tienden en la misma dirección, hay una diferencia consistente de 3-4 dB entre ambas. Esta asimetría se debe probablemente a las diferencias de potencia de salida entre los dispositivos. La correlación entre las RSSI medidas en los extremos en un solo canal, que no se muestra aquí, es aún más estrecha, pero sigue mostrando la diferencia de 3-4 dB. Esta correlación sugiere que las propiedades del canal no cambian en la escala de tiempo entre el paquete original y el ACK, del orden de 10 ms.

Figura 11. Las mediciones de RSSI muestran puntos de ruptura similares a los de la Figura 10. El RSSI se mide en el nodo 44 en función de la intensidad de la señal de los ACKs recibidos. La ausencia de datos, especialmente en el canal 11, corresponde a periodos de estabilidad del 0% en este canal de trayectoria.

Figura 12. RSSI promediado en todos los canales en intervalos de 15 minutos para ambos extremos de una ruta. El nodo 56 mide la RSSI de los paquetes recibidos, mientras que el nodo 44 utiliza la intensidad de la señal de los ACK recibidos.

Conclusiones y trabajos futuros

Este artículo pretende principalmente mostrar algunas de las propiedades de los datos recogidos en nuestro experimento, y no necesariamente sacar conclusiones sobre la física que hay detrás de la propagación inalámbrica. El conjunto de datos completo de 91 trayectorias puede obtenerse poniéndose en contacto con los autores. Precisamente porque el comportamiento de las trayectorias escapa a una simple modelización, sentimos la necesidad de recoger un conjunto de datos reales de un despliegue físico en un entorno duro.

Aunque la mayoría de las rutas de la red de prueba tenían una estabilidad media elevada, la fiabilidad de las redes de sensores debe mantenerse incluso durante los periodos de estrés. La estabilidad en la red de sensores inalámbricos desplegada varía enormemente a lo largo del tiempo, el espacio y la frecuencia, de una forma que es difícil de captar con modelos teóricos. El RSSI es un predictor válido de la estabilidad del canal de acceso, pero el propio RSSI varía con el tiempo. En escalas de tiempo cortas, de unos pocos milisegundos, el RSSI permanece constante, pero cambia significativamente (más de 10 dB) a lo largo de varios minutos. Tanto el RSSI como la estabilidad pueden disminuir bruscamente en algunos canales y aumentar en otros. No hay estudios sobre el terreno que predigan correctamente el comportamiento de una red instalada en este lugar, y aún hay menos esperanzas de que un modelo teórico capte la complejidad de la variabilidad de estos canales inalámbricos.

Ante estos retos, nuestro enfoque sigue siendo emplear la diversidad de rutas y frecuencias en todo el tráfico de datos. Al saltar todos los canales por igual, podemos asegurarnos de cumplir, por término medio, el rendimiento medio de la trayectoria que varía considerablemente menos que sus componentes. La CCA, al menos en el hardware del CC2420, no puede utilizarse por sí sola para emitir selectivamente de forma eficiente. Al fomentar que cada nodo tenga dos padres, la malla resultante es menos susceptible a los efectos imprevisibles de la trayectoria. En los 25 días de funcionamiento de esta red hasta la fecha (de los que forman parte los 4 días de registro), sólo se perdieron 17 paquetes de un total de 3,574 millones generados. Esto representa una tasa de entrega del 99,9995%.

Ссылки

1 K. Whitehouse, C. Karlof, D. Culler. «Una evaluación práctica de la intensidad de la señal de radio para la localización basada en la telemetría». ACM MC2R, número especial sobre tecnologías y algoritmos de localización. 2007.

2 K. Sohrabi, B. Manríquez y G. Pottie, «Mediciones de canales de banda ancha cerca del suelo». Actas de la 49ª Conferencia sobre Tecnología de Vehículos, Houston, mayo de 1999.

3 D. Sexton, M. Mahony, M. Lapinski y J. Werb, «Radio Channel Quality in Industrial Wireless Sensor Networks», Actas de Sicon 2005, Houston, TX, febrero de 2005.

4 La especificación completa de 802.15.4/ZigBee puede obtenerse para fines no comerciales en zigbee.org.

5 Hoja de datos de TI Chipcon CC2420

6 L. Doherty y D.A. Teasdale, «Towards 100% Reliability in Wireless Monitoring Networks», Actas de PE-WASUN 2006, Torremolinos, España, octubre de 2006.

7 Una descripción técnica del TSMP está disponible en

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