Implementación y Evaluación del algoritmo

de sincronización RBS para redes

inalámbricas de sensores

Alumno: Seyed Mohammad Pakdaman

Tutor: Dr. Ing. Ariel Lutenberg

PROYECTO DE TESIS DE MAESTRÍA EN INGENÍERIA DE TELECOMUNICACIONES

Introducción General

¿Que es una red inalámbrica de

sensores?

Una red inalámbrica de sensores, o Wireless Sensor

Network (WSN), se compone de un gran número de nodos

de sensores conectados de forma inalámbrica, con

capacidades de computación y comunicación provistos

de sensores para medir diferentes variables de ambiente

en el que se encuentran.

Limitaciones de los nodos sensores

Capacidad de procesamiento

Energía disponible

Costo

Tamaño

Aplicaciones de redes inalámbricas de

nodos sensores:

Salud

Ambiente

Militar

Domótica

Estándar de comunicaciones IEEE 802.15.4

para las redes inalámbricas de sensores

Estándar de comunicaciones IEEE 802.15.4

para las redes inalámbricas de sensores

Sincronización de reloj en las redes

inalámbricas de sensores

Función de reloj

Función de Reloj ideal (𝑡 es el tiempo de referencia)

En caso que tengamos dos nodos sensores 1 y 2, la relación entre los dos relojes es de la siguiente forma:

Nodo 1 esta perfectamente sincronizado con el nodo 2 cuando:

𝐶(𝑡) = 𝑡

𝐶1(𝑡) = 𝛼12 + 𝛽 12 𝐶2(𝑡

𝛼 12 = 0 𝛽 12 = 0y

Donde 𝛼 12 es el offset relativo y 𝛽 12 es el skew relativo de los dos relojes

Necesidad de sincronizacion

Fusión de datos

Tareas de coordinación

Esquemas de encriptación

…

Sincronización de reloj

Las principales funciones de la sincronización de

tiempo en una red distribuida, como WSN, son:

Asegurar una escala de tiempo común para todos los

nodos de la red.

Proporcionar la correcta coordinación temporal entre

todos los nodos participantes, en una interacción

colaborativa y distribuida con el entorno físico.

Protocolos de sincronización de tiempo

tradicionales

NTP es una arquitectura jerárquica basada en el paradigma cliente-servidor que trabaja sobre el protocolo UDP.

NTP es ampliamente usado en Internet y ha demostrado ser efectivo y robusto.

Las principales ventajas de NTP son su escalabilidad, robusteza la falla, auto-configuración en redes de gran escala y su implementación difundida.

Los protocolos de sincronización de tiempo

tradicionales no son aplicables a las

redes inalámbricas de sensores

Energía disponible

Modo de transmisión

Topología dinámica

Retrasos contribuyentes al error de

sincronización

Los componentes de retraso en la entrega de mensajes

se pueden clasificar de la siguiente manera:

Tiempo de envió

Tiempo de acceso al canal inalámbrico

Tiempo de propagación

Tiempo de recepción

Protocolos de sincronización para

redes inalámbricas de sensores

Los algoritmos propuestos varían principalmente en su

método de estimación y corrección de errores debido a

los retrasos en el proceso de entrega de un mensaje.

Tienen características básicas en común:

Un protocolo de mensajería simple no orientada a la conexión

Un mecanismo para intercambiar la información de reloj entre los

nodos

Una estrategia para minimizar los efectos no determinísticos de

demora en la entrega y procesamiento del mensaje

Un algoritmo en el host que se encarga de ajustar los relojes locales

de los nodos en base de la información recibida de sus vecinos

Métricas para los protocolos de

sincronización para redes inalámbricas de

sensores

Error de fase

Error de frecuencia

Presupuesto energético

Vida útil

Disponibilidad

Alcance

Interno o Externo

Tiempos de convergencia

Clasificación de protocolos de

sincronización de tiempo en las WSNs

Maestro-Esclavo vs. Peer-to-Peer

Corrección de reloj vs. No corrección de reloj

Enfoque de sincronización

Transmisor-Receptor

Receptor-Receptor

Solo Receptor

Sincronización por pares vs. Sincronización de toda la red

Protocolo de sincronización RBS

para las redes inalámbricas de sensores

Principio de funcionamiento:

Protocolo de sincronización RBS

para las redes inalámbricas de sensores RBS directamente remueve del camino crítico a dos fuentes importantes

contribuyentes al error:

Tiempo de envío

Tiempo de demora para acceder al canal inalámbrico compartido

Extensión del algoritmo RBS a las redes

Multi-cluster

Estimación de reloj en RBS

Estimación del offset:n: Cantidad de receptores

m: Cantidad de paquetes de broadcast recibidos (paquetes de

sincronización)

Tr,b: El reloj local del nodo r cuando recibió el paquete de sincronización b

Estimacion del skew

Se lleva a cabo una regresión lineal de mínimos

cuadrados

∀𝑖 ∈ 𝑛, 𝑗 ∈ 𝑛: 𝑂𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡[𝑖, 𝑗] =1

𝑚

𝑘=1

𝑚

𝑇𝑗,𝑘 − 𝑇𝑖,𝑘

Implementacion del algoritmo RBS

Nodo sensor utilizado en este estudio está compuesto por el

microcontrolador LPC1769 y el módulo RF Xbee PRO 802.15.4.

Implementación del algoritmo RBS

Implementación del algoritmo RBS

Es necesario que un evento de interés ocurra al mismo tiempo para

ambos nodos. Este evento puede ser otro mensaje de broadcast

que por ejemplo contenga la palabra “Estimar”.

Implementación del algoritmo RBS

Comenzando con 3 paquetes de sincronización por minuto y

aumentando los paquetes de sincronización hasta un máximo de

60 paquetes de sincronización por minuto.

Para poder comprobar el funcionamiento del algoritmo, los

paquetes de “estimar” se envían cada 250ms por un lapso de 7

minutos.

Resultados obtenidos

Desfasaje entre el valor estimado del reloj y el valor real en un lapso

de 30 segundos enviando 3 paquetes de sincronización por minuto

Resultados obtenidos

Histograma de distribución de desfasajes entre los valores de reloj

estimados y los valores reales (µs), enviando 3 paquetes de

sincronización por minuto

Resultados obtenidos

Desfasaje entre el valor estimado del reloj y el valor real en un lapso

de 30 segundos enviando 60 paquetes de sincronización por

minuto

Resultados obtenidos

Histograma de distribución de desfasajes entre los valores de reloj

estimados y los valores reales (µs), enviando 60 paquetes de

sincronización por minuto

Resultados obtenidos

Resutlados obtenidos

Resutlados obtenidos

Comparación con otros trabajos de

investigación

Elson et al., conducen varias simulaciones con objetivo

de evaluar la calidad que se puede conseguir

mediante el protocolo de sincronización RBS y su

respectivo comportamiento al momento de aumentar

la cantidad de paquetes de sincronización.

Comparación con otros trabajos de

investigación

Análisis de dispersión de grupo (máximo error entre los pares) después de

sincronización mediante RBS. Cada punto representa el promedio de 1000

simulaciones. Promedio de dispersión de grupo y el desviación estándar para dos

receptores (arriba) y para 20 receptores (abajo).

¿Por qué existe una diferencia?

¿Por qué existe una diferencia?

Conclusiones

Se pueden lograr un alto grado de precisión mediante el uso de RBS.

La precisión de sincronización va mejorando a medida que las cantidades

de paquetes de sincronización aumentan, sin embargo, tiene un umbral

donde la precisión obtenida se mantiene casi constante.

Tiempo de recepción y procesamiento por el receptor tiene un fuerte

impacto sobre la precisión obtenida mediante el uso de RBS.

Tiempo de recepción y procesamiento por el receptor tiene que ser menor

de la precisión requerida o en todo caso tiene que ser determinístico para

poder lograr mayor grado de precisión mediante el uso de RBS.

RBS es muy austero con el uso de la energía en proceso de sincronización,

es tolerante a varias fuentes no determinísticas de demora en su proceso

de estimación de reloj y no impone una carga excesiva al procesador.

Trabajos futuros

Disminuir la totalidad de energía consumida en la red en el proceso

de sincronización.

Implementar el algoritmo RBS sobre otras plataformas de nodos

sensores.

Continuar la investigación en otras temáticas relacionados con las

redes inalámbricas de sensores que necesitan una red

sincronizada, tales como encriptación, localización, fusión de

datos, etc.

¿PREGUNTAS?

¡¡¡Gracias!!!