Aplicación de redes de sensores inalámbricos (WSN) en un ...
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DISEÑO, IMPLEMENTACIÓN Y VALIDACIÓN DE UNA BIBLIOTECA
DE ALGORITMOS DE SINCRONIZACIÓN PARA WSN
Tesista : Javier Verde
Director : Dr. Ing. Ariel Lutenberg
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Índice2
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simulador� Desarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
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Índice3
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simulador� Desarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
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Redes inalámbricas de sensores(WSN)4
� Distribuida geográficamente
� Capacidad de procesamiento y almacenamiento
� Topología dinámica
� Eficiencia energética� Eficiencia energética
� Multi- hop
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Redes inalámbricas de sensores (WSN)
� Aplicaciones :
� Monitoreo de estructuras
� Agricultura de precisión
� Detección de catástrofes naturales
� Seguridad
5
� Seguridad
� Hogares inteligentes
� Aplicaciones militares
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Índice6
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simulador� Desarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
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Algoritmos de sincronización
� Noción general del tiempo de una red:
� Saber en que instante ocurrió un suceso
� Intervalo de tiempo entre sucesos
� Orden relativo de sucesos
7
� Orden relativo de sucesos
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Algoritmos de sincronización
� Reloj interno de un dispositivo� Pulsos generados por oscilador
� Tiempo : Cp (t) = t,
� Frecuencia : Ca será C´a (t)
� Offset ( apartamiento ) : C (t) – C (t)
8
� Offset ( apartamiento ) : Ca(t) – Cb(t)
� Skew ( oblicuidad) : C´a(t) – C´b(t)
� Drift ( resbalamiento) : C´´a(t) – C´´b(t)
Reloj funcionando dentro de su especificación :
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Algoritmos de sincronización
¿Por que no aplicar algoritmos tradicionales ?
Ej. : NTP (Network Time Protocol)
9
� Eficiencia energética
� Dinámica de la red
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Algoritmos de sincronización
� Algoritmos de sincronización en WSN
� Maestro-esclavo ó punto a punto
� Transmisor a receptor ó receptor a receptor
10
� Transmisor a receptor ó receptor a receptor
� Sincronización externa ó interna
� Probabilística ó determinsitica
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Índice11
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simulador� Desarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
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Biblioteca de código embebido
Biblioteca de código
� Simplicidad
� Robustez
� Contenido
12
� Contenido
Biblioteca de código embebido
� Portabilidad
� Flexibilidad
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Biblioteca de código embebido
� Estructura modular
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Índice14
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simulador� Desarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
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Algoritmo implementado : TPSN
� Primera etapa : Formación de la red
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Algoritmo implementado : TPSN
� Segunda etapa : Sincronización
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Algoritmo implementado: TPSN
Desempeño y análisis teórico del error
17
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Índice18
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simulador� Desarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
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Simulación
Modelización del problema
Errores de un reloj:
� Valor de offset aleatorio
� Skew : ±5ppm
19
� Skew : ±5ppm
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Simulación
Implementación del algoritmo
� Empaquetamiento
� acceso
20
� acceso
� Propagación
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Resultados de simulación21
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Índice22
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simulador� Desarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
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Resultados de simulación
� Diferencia de tiempos para distintos niveles
23
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Resultados de simulación
Degradación de la sincronización con el paso del tiempo para nodos de nivel 2
1 segundo 2 segundos 3 segundos
24
4 segundos 5 segundos
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Resultados de simulación
Varianza y desvío estándar para nodos de nivel 2
Varianza Desvío estándar
25
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Resultados de simulación
Degradación de la sincronización con el paso del tiempo para nodos de nivel 3
1 segundo 2 segundos 3 segundos
26
4 segundos 5 segundos
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Resultados de simulación
Varianza y desvío estándar para nodos de nivel 3
Varianza Desvío estándar
27
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Índice28
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simulador� Desarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
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Plataforma utilizada
Hardware
29
� Microprocesador : LPC1343
� Transceiver : CC2520
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Índice30
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simulador� Desarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
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Estándar 802.15.4
� Niveles establecidos : PHY , LLC
31
� Topología :
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Índice32
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simulador� Desarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
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Implementación
Biblioteca de código embebido
� Banco de algoritmos
� Modulo configuración
33
� Modulo configuración
� Modulo HAL ( capa de abstracción de hardware)
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Implementación
� Biblioteca de algoritmos:
� TPSN : Surgen problemas en la implementación
� Variación de TPSN:
34
� Variación de TPSN:
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Índice35
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simulador� Desarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
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Resultados
� Banco de medición:
36
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Resultados
Topologías a evaluar
37
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Resultados
TPSN : Ejecución del algoritmo
38
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Resultados
TPSN : Error total en diferentes mediciones
39
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Resultados
TPSN: No se evalúan el resto de las topologías
� Grandes variaciones de error
� No existe correlación entre mediciones
40
� No existe correlación entre mediciones
� Errores desde 500us a 100 ms
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Resultados
Variación TPSN: Ejecución del algoritmo
41
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Resultados
� Variación de TPSN : Error total en varias mediciones
42
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Resultados
Topología medida
43
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Resultados
� Variación de TPSN : Error de sincronización entre dos nodos de un mismo nivel.
44
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Resultados
Topología medida
45
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Resultados
Variación TPSN : Error de sincronización entre nodo de nivel 3 y nodo nivel 1
46
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Resultados
Comparación con otros algoritmos implementados.
Paquetes enviados
Paquetes broadcast Paquetes unicast Total
TPSN 2 1+n 3+n
47
Precisión
Variación de TPSN 2 2+2*n 4+2*n
RBS 0 n n
Error inicial Error al momento de volver a
realizar la sincronización (20
segundos después)
TPSN ~10 ms ~10 ms
Variación de TPSN 60 us 100us
RBS 200us 200us
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Índice48
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simuladorDesarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
� Conclusiones
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Guía de elección de algoritmo49
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Índice50
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simuladorDesarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
� Conclusiones
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Mejoras propuestas
� Expansion de la biblioteca:
� Nuevos algoritmos
� Nuevas funcionalidades:
51
Nuevas funcionalidades:
� Modulo temporal compatible con RTOS
� Garantizar error máximo
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Índice52
� Introducción Teórica� Redes Inalámbricas de sensores (WSN)
� Algoritmos de sincronización
� Biblioteca de código embebido
� Algoritmo implementado: TPSN
� Simulación� Desarrollo del simuladorDesarrollo del simulador
� Resultados de simulación
� Implementación� Plataforma utilizada
� Estándar 802.15.4
� Implementación
� Resultados
� Conclusiones� Guía de selección de algoritmos
� Mejoras propuestas
� Conclusiones
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Conclusiones
� Tecnología WSN
� Simulación
53
� Medición
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¿Preguntas?
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Muchas Gracias por su atención.