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INTEGRACIÓN DE REDES SENSORIALES EN LA PLATAFORMA MINERVA
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Estado del Arte Redes sensoriales inalámbricas
Introducción
Establecer una conexión entre el entorno físico y un serie de datos
digitales es el objetivo fundamental de una red de sensores. Con una adecuada
paremetrización del entorno físico, éste se puede cuantificar de una forma
digital mediante sensores especializados. La interconexión de todas estas
paremetrizaciones es lo que denominamos Red sensorial.
Ya desde la guerra fría, en entornos militares, se hablaba de las Redes
distribuidas de sensores (Distributed Sensor Network)4. Pero la incorporación
de nuevos elementos, tales como la conectividad inalámbrica, las
combinaciones topológicas o la inclusión de pasarelas, las ha convertido en
una fuente de investigación y desarrollo en los últimos tiempos.
Redes inalámbricas Sensoriales (WSN).
La condición cableada de una red impide, por si misma, la dinamización
en la conexión. Necesitamos siempre un punto de conexión para cada
elemento y para adjuntar uno nuevo es necesario ampliar la red cableada hasta
él. Esto viene superado por las redes inalámbricas.
La capacidad de incluir nuevos sensores dinámicamente o la mayor extensión
de la red son unos de las mejoras que una red inalámbrica sensorial
proporciona. El hecho que las necesidades de comunicación de información de
parte de los sensores sea muy reducida, proporciona también una libertad muy
4 C.-Y. CHONG, S.P. KUMAR, Sensor networks: Evolution, opportunities and challenges, Proc. IEEE, vol. 91, nº. 8, pp. 1247–1256, 2003.
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grande en cuanto al ancho de banda necesario. Es por tanto razonable pensar
que el futuro de las redes sensoriales será inalámbrico.
Podemos distinguir dos elementos bien diferenciados en las Redes
Inalámbricas Sensoriales: los nodos y las pasarelas.
Los nodos son los elementos que contienen los sensores físico, y por lo
tanto están cercanos a la realidad física que se quiere medir. Tiene un
elemento de conexión con los otros nodos, lo que constituye propiamente la
red.
Las pasarelas son nodos de la red que tiene otra conexión a otra serie
de redes y permiten que la información de los distintos sensores llegue hasta
un centro de control. Las pasarelas pueden presentarse de múltiples formas,
tantas cuantas redes quieran interconectar. Además debe aportar un correcto
tratamiento de la información recolectada por los nodos sensoriales para que
pueda ser interpretada en el centro de información.
La topología de red es también un factor muy importante en las redes
inalámbricas. Existir un nodo llamado coordinador que sirve de punto de
acceso a todos los otros nodos. Además pueden existir nodos que funcionan
de repetidores de paquetes. Así, además de la topología en estrella y en árbol,
podemos encontrar una topología distribuida, en la que el camino no está
prefijado entre cual sea par de nodos. Este tipo de tipología viene definida
como red mesh.
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Figura 2 Topologías de Red Inalámbrica Sensorial
802.15.4
Uno de los elementos diferenciadores de las redes inalámbricas
sensoriales es la eliminación de cualquier tipo de conexión cableada, incluida la
alimentación. Esto ha dado lugar a múltiples búsquedas de alimentación para
los nodos sensoriales.
En base a las tecnologías inalámbricas desarrolladas hasta ahora
teníamos dos posibles soluciones: las redes 802.11, conocidas popularmente
como redes Wifi, y los dispositivos bluetooth. Ambas presentan muchos
inconvenientes para las redes sensoriales.
Las redes Wifi, si bien abarcan grandes áreas y permiten una
comunicación a un ancho de banda muy grande, presentan serios problemas
en la alimentación, siendo casi obligatorio el uso de conexión a la red eléctrica.
En el caso del bluetooth, hay una gran limitación en cuanto a la
cobertura y unas restricciones muy fuertes en cuanto a conectividad de
equipos, haciendo muy complicado su uso para una red sensorial.
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Figura 3 Comparación entre redes inalámbricas.
Es por eso que desde la IEEE se pensó en realizar un estándar que
solucionase ambos problemas: una mejor cobertura pero con un ancho de
banda limitado. Por ello que se inició los trabajos del grupo 802.15.
Se han producido diversos estándares a partir de este grupo, pero el
más interesante es el 802.15.4, que está vigente en la versión de 20065. Esta
norma presenta tanto la capa física como la capa de enlace, según el modelo
OSI, y determina una red inalámbrica sensorial con un ancho de banda en
torno a los 250 kbps.
La norma presenta 27 canales distribuidos en 3 grupos de frecuencias,
todos en la banda PHY:
5 IEEE Standard for Information Technology—Telecommunications and Information Exchange Between Systems—Local and Metropolitan Area Networks—Specific Requirements—Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs), IEEE Std. 802.15.4-2006, 2006.
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1 en los 868 Mhz para Europa 10 entorno a los 915 Mhz para América. 16 en la banda de los 2.4 Ghz para ambos.
Figura 4 Distribución de los canales (802.15.4)
En la versión de 2006, la IEEE amplió el ancho de banda de los canales
de frecuencias bajas añadiendo complejidad a los códigos de transmisión:
Inicialmente la codificación de los canales en las frecuencias bajas era una
codificación binaria de fase (BPSK), mientras que para los de frecuencia en los
2.4 Ghz era en cuadratura en offset (O-QPSK). En la nueva especificación se
añadió una codificación en desplazamiento de amplitud (ASK) y otra O-QPSK.
De esta forma se han multiplicado por 3 los canales originales y el ancho de
banda. Estas dos codificaciones de las frecuencias bajas son opcionales.
Con una misma implementación,estando tan cerca los canales bajos, se
puede obtener todo el abanico de frecuencias. Pero, por compatibilidad con
otros sistemas y su internacionalización se prefiere la banda de los 2.4 Ghz. No
obstante, en ambientes de mucho ruido, donde existan otras redes
inalámbricas se puede optar por una solución a más baja frecuencia.
El ancho de banda alcanzado, unos 250 kb/s, comparado con las tasas
alcanzadas por el estándar 802.15.11n actualmente (de más de 300 Mb/s)
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puede resultar algo pequeño. Pero, dada la naturaleza de los datos que viajan
por esa red, datos sensoriales, es más que suficiente.
Además de la capa física, la norma 802.15.4 establece también la capa
de enlace. Esta capa de enlace está subdivida en una capa de subcapa de
acceso al medio (MAC) y una subcapa de control de enlace lógico. (LLC)
Figura 5 Capa de enlace de 802.15.4
Para la norma 802.15.4 se puede utilizar la LLC capa común a toda la
familia de estándares 802 o una LLC propietaria. Si se utiliza la definida por la
IEEE, existe una capa de interfaz llamada SSCS, que define los puntos de
acceso y las primitivas a utilizar. En nuestro caso utilizaremos la capa de la
IEEE
Definida por lEEE en la norma 802.26, la subcapa se ocupa del control
de paquetes entre elementos colindantes de la red. Existe tres modos de
entrega de mensajes, según la orientación a conexión y la petición de
confirmación, definidos en la siguiente tabla.
6 IEEE, IEEE Standards for Local and Metropolitan Area Networks: Overview and Architecture, 1998.
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Orientado a Conexión
No orientado a Conexión
Con confirmación tipo 2
Sin confirmación tipo 3 tipo 1
Tabla 1. Tipos de conexión de la LLC 802.2
El más utilizado para las aplicaciones es el tipo 2, puesto que garantiza
el ordenamiento de los paquetes transmitidos, así como la no perdida de
ninguno.
La subcapa de acceso al medio de la norma 802.15.4 define una serie
de primitivas para la subcapa anterior. En comparación con otros protocolos de
la serie 802.15, como Bluetooth, es un número considerablemente bajo. Esto
es debido a la voluntad de integrar esta subcapa en silicio, simplificándola lo
más posible.
La trama de la capa de enlace, denominada MPDU, tiene un longitud
variable entre 5 y 127 bytes. Está estructurada en tres partes: cabecera, carga
y dígitos de control. En la cabecera, además de 2 bytes de Control de trama y
uno de secuencia, puede aparecer las direcciones de destino y fuente. Estas
direcciones pueden ser de 16 o de 64 bits.
Figura 6 Trama de la capa de enlace
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Existe cuatro tipos de paquetes de la capa de enlace: Datos, baliza,
Asentimiento y control de la capa MAC. Vienen definidos en los primeros 3 bits
de la cabecera de trama. Las tramas de datos intercambian datos entre nodos.
Las de asentimiento, si el tipo de enlace es con control de asentimientos, son
emitidas inmediatamente después de recibir una trama. Las tramas de
mantenimiento de la capa no son pasadas a las capas superiores, al igual que
las de asentimiento y baliza.
Las tramas de baliza son aquellas que anuncian el inicio de una
superestructura de tramas. En una red 802.15.4, a fin de garantizar un ancho
de banda o una baja latencia para algunos nodos que lo requieran, se han
definido el uso de superestructuras de tramas. Definido un nodo coordinador
PAN, éste asigna 16 ranuras de tiempo delimitadas por dos tramas de baliza.
Cualquier nodo puede transmitir en un periodo antes de la siguiente señal de
baliza. El nodo coordinador asignará los últimos intervalos a un determinado
nodo con necesidades de ancho de banda o latencia especiales. Esta
asignación, denominada GTS, permitirá transmitir solamente a los nodos
definidos para esos intervalos.
A fin de reducir al mínimo el consumo de baterías, se ha definido en el
estándar una serie de mecanismos para mantener a los nodos en un periodo
de sleep. Uno de estos mecanismos es la inclusión, tras los periodos de GTS
de unos periodos de inactividad hasta la siguiente trama de baliza.
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Figura 7 Supertrama de 802.15.4
Durante el primer periodo tras una baliza y en ausencia de este
mecanismos pueden existir colisiones en el acceso al canal. Es por ello que se
implementa el algoritmo CSMA-CA o acceso múltiple con detección de
portadora y evasión de colisiones. Este algoritmo permite a un nodo que
detecta que el canal está ocupado retrasar la transmisión aleatoriamente. En la
norma 802.15.4 se dan dos casos particulares: que existan balizas, por lo que
el retraso será siempre de un número exactos de intervalos, y que además esté
activo el bite de Batery Life Extension (BLE), por lo que el número aleatorio no
será grande.
Otros protocolos: Zigbee, 6LoWPAN
A partir de la norma 802.15.4, un conjunto de empresas, denominado
Zigbee Aliance, siguió desarrollando las capas superiores. Tanto la capa de red
como las capas dedicas a la seguridad son un estándar propietario
denominado Zigbee.
Basándose en tres canales de la banda de 2,4Ghz, Zigbee ha
implementado la creación y dinamización de las redes, además de mecanismos
de ahorro de energía y protocolos de seguridad. Con respecto a este último
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cabe destacar la implementación del protocolo AES para el cifrado y el
intercambio de claves asimétricas.
Otro intento de dotar a la norma 802.15.4 de capas superiores es
6LoWPAN7. En este caso se quiere utilizar el estándar IPv6 sobre las capa de
enlace. Esta pila de protocolos presenta muchas dificultades hasta ahora no
salvadas. Entre ellas la longitud de las tramas de IPv6, la incapacidad de
802.15.4 para fraccionar y secuenciar paquetes, la incapacidad de IPv6 para
gestionar redes mesh y arboladas, etc. Por ello se han propuesto diversas
soluciones, como una capa intermedia o pasarelas de varios tipos. Pero hasta
el presente no hay una solución clara.
Plataforma Minerva
El objetivo del proyecto Minerva: Plataforma de servicios en movilidad -
Cartuja 93 es la creación de una plataforma de experimentación y desarrollo de
las nuevas comunicaciones móviles, donde empresas e instituciones han
llevado a cabo proyectos de I+D+i para generar productos y servicios de última
generación.
Entre los servicios presentados, la plataforma RedBox, presenta un
acceso único al envío y recepción de mensajes en múltiples tecnologías: SMS,
MMS o LBS. Esta plataforma permite a múltiples servicios tener un único punto
de acceso.
7 Md. SAKHAWAT HOSSEN, A. F. M. SULTANUL KABIR, RAZIB HYAT KHAN, ABDULLAH AZFAR
, Interconnection between 802.15.4 Devices and IPv6: Implications and Existing
Approaches, International Journal of Computer Science Issues, Vol. 7, Issue 1, No. 1, Enero 2010
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Figura 8 Modelo de la Plataforma Minerva
Estándar GSM
En 1982 la Confederation of European Posts and Telecommunications
organizó el Groupe Speciale Mobile (GSM) para la búsqueda de un estándar
europeo para la comunicaciones telefónicas inalámbricas.
En 1989 se publicó la primera especificación de parte de la ETSI que
tomó la banda de los 900Mhz como banda base para las comunicaciones y una
red celular con múltiples antenas. En 1990 se dio paso a la banda de los
1800Mhz y años después, en EEUU, a los 1900Mhz.
El estándar presenta una división en Frecuencia (FDMA) con canales de
200kHz tanto para la subida como para la bajada. Existen 124 canales para la
banda de los 900Mhz y 374 para la de 1800Mhz. Los canales son reutilizables
espacialmente según una red celular de antenas. Cada estación base utilizará
una serie de canales que no interfieran con las celdas colindantes. Se ha
definido las potencias de las antenas y de los equipos para que el espacio
entre celdas no sea elevado, obteniendo así un número mayor de usuarios
activos en la red de telefonía móvil.
Cada canal de 200kHz a su vez está divido en 8 ranuras de tiempo
(TDMA),de tal forma que obtendremos un total de 124 x 8 = 992 canales físicos
en la banda de los 900Mhz. Estos canales pueden utilizarse para los datos de
usuarios (e.d. conversaciones de voz), para señalización o coordinación de los
equipos.
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Figura 9 TDAM del estándar GSM
SMS
A diferencia de otros estándares anteriores en los que los mensajes de
control eran enviados entre entidades de la red, GSM avanzó un poco más y
estableció un protocolo de intercambio de mensajes, entre usuarios finales. De
una forma revolucionaria en ese momento8, se pensó en una estructura que
permitiera enviar pequeños mensajes de texto entre usuarios la de red móvil,
utilizando los mismo canales de señalización.
8Cft. F. Hillebrand, F. Trosby, K. Holley, I. Harris, Short Message Service. The creation of Personal Global Text Messaging, Wiley 2010.
F. TROSBY, THE STRANGE DUCKLING OF GSM SMS, TELEKTRONIKK VOL.3 2004 PP 187-‐194
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Figura 10 Envió de SMS a través de la red GSM
Una de las dificultad que entraña este protocolo es debida a la ubicación
de los terminales y las continuas entradas y salidas de la red. En redes de
fisonomía fija, el enrutamiento es una labor sencilla, una vez establecido. Pero
en redes dinámicas en sus terminales, como las redes GSM, se necesita un
control centralizado para enrutar los mensajes. Por ello se constituyó una
entidad llamada Short Message Service Center (SMSC) que permite almacenar
los mensajes entrantes (SMS-MO) y reenviarlos a los destinatarios (SMS-MT)
en cuento sea posible.
Los Short Messages o mensajes cortos ha ido evolucionando a lo largo
de estos años. Se han ido desarrollaron una serie de protocolos, como WAP o
MMS, que han permitido superar los 140 caracteres que en un primer momento
tenía el estándar y añadir contenidos multimedia. Además, se han introducido
pasarelas o gateway para conectar los SMSC a otras redes de mensajes, tales
como emails o mensajes vocales.
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Pero aún hoy se envían millones de SMS por el mundo dada su facilidad
e inmediatez. Es más, las redes sociales como Twitter han puesto de
manifiesto que se puede concentrar mucha información en unos pocos bytes.
Red Minerva de Vodafone: RedBox
El proyecto Minerva es una iniciativa de Vodafone para dotar al Parque
Científico y Tecnológico Cartuja 93 de una plataforma de experimentación y
desarrollo de aplicaciones en movilidad. Para ello se ha desplegado una serie
de servicios móviles, entre ellos RedBox.
RedBox aporta al proyecto Minerva la conectividad a la plataforma de
Vodafone a través de las APIs necesarias para el desarrollo de servicios
innovadores utilizando las capacidades tecnológicas de la plataforma.La
plataforma Minerva-RedBox permite el envío y recepción de mensajes SMS
(Short Message System) y MMS (Multimedia Message System), así como el
envío de peticiones de localización LBS (Location Based System) y la
recepción de la respuesta asociada.
RedBox provee un punto único de acceso a todos los servicios de red,
independizándolos de las aplicaciones y permitiendo el envío y recepción de
grandes volúmenes de mensajes cortos, multimedia o peticiones de
localización a una serie de usuarios autorizados de clientes.
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Figura 11 Modelo de funcionamiento de RedBox
Como punto de acceso, RedBox dispone de un descriptor estándar de
servicios web (WSDL), basados en el estándar SOAP (HTTP/XML) con el que
puede acceder a una serie de interfaces a través de los cuales podrá realizar
envíos y obtener información sobre la plataforma. Dicho descriptor simplifica la
integración con sus aplicaciones, ya que las versiones más recientes de los
entornos de desarrollo permiten la creación automatizada de bibliotecas a partir
de un WSDL. De esta forma, los mensajes son enviados a través del servicio
web, especificando una serie de parámetros. En la siguiente tabla se detallan lo
interfaces del servicio web.
Interfaz Descripción enviosms() INTERFAZ DE ENVIOS DE SMS
envioslbs_GRLR() INTERFAZ DE ENVIOS DE LBS DE GEOLOCALIZACIÓN INVERSA
enviosms_bin() INTERFAZ DE ENVIOS DE SMS BINARIO
enviomms() INTERFAZ DE ENVIO DE MMS HACIA EL OPERADOR (PARAMETRIZADO)
urlbase64() CONVERSION DE UN FICHERO LOCALIZADO EN UN URL A UNA CADENA CODIFICADA EN BASE64
enviolbs() INTERFAZ DE ENVIOS DE LBS DE GEOLOCALIZACIÓN
urlmime() DETECCION DEL TIPO MIME DE UN FICHERO LOCALIZADO EN UN URL, USANDO SU EXTENSION
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Tabla 2. Interfaces del Servicio Web RedBox
Por otra parte, los mensajes procedentes de los dispositivos móviles se
reenvían mediante conexiones HTTP, tanto GET como POST, a una URL que
se suministra al iniciar el servicio. Mediante una palabra clave, RedBox
discrimina los mensajes y los entrega en las diferentes páginas. De esta forma
se puede tener un controlo de todos los mensajes recibidos de las distintas
fuentes y aplicar las soluciones implementadas para cada una. El hecho de que
se usen llamadas HTTP permite definir páginas dinámicas en cualquier
lenguaje.
RedBox proporciona, además, en la misma URL un sistema de
notificaciones de los mensajes enviados de dos formas: Una respuesta
inmediata de recepción por parte del sistema del mensajes enviado, y una
confirmación de la entrega a modo de mensaje de texto. Estas comprobaciones
son un método efectivo para verificar la entrega de los mensajes a los
terminales.
Figura 12 Esquema de Entrega de mensajes y de notifcaciones