Calidad de sensado y eficiencia energética en redes de sensores inalámbricos (WSN)

Abstract

En las redes de sensores inalámbricos (WSN), con despliegues aleatorios se producen agujeros de cobertura y mayormente originan zonas desatendidas (sin cobertura) y ocasionan errores entre los datos recolectados del nodo sensor. Para adquirir datos con precisión, es posible que sea necesario colocar sensores en ubicaciones específicas, pero en despliegues realistas esto no sucede así. Los datos son el puente entre la red y el mundo físico, y la calidad de los datos tiene un impacto importante en la aplicación. Cuando el conjunto de datos no es confiable debido a numerosos errores en la red es necesario mejorar la calidad de los datos. Los errores entre los datos aparecen de diferentes modos, por ejemplo, la pérdida de datos por distancia indebida en ubicación entre los nodos para su comunicación, la falla o caída de datos debido a retrasos en la transmisión. Entonces se requiere que los datos se entreguen a la estación base o nodo sumidero sin ninguna pérdida de información, sin embargo, el conjunto de datos recopilado por el nodo sumidero puede dar lugar a la vez a estos errores antes mencionados. Estos problemas causan consumos de energía desequilibrados y acortan significativamente la vida útil de la red. Las WSN operan muchas veces en un modo desatendido y, en muchos escenarios de difícil acceso, por aquello es imposible reemplazar la batería inservible del nodo después del despliegue. Un nodo sensor muere por el agotamiento prematuro de la energía en su batería y producirá en una región específica, la partición de la red o crea huecos de energía. Esto en la literatura científica se denomina agujeros de cobertura. Esto se define como la cantidad del área dentro del campo o región de interés que no está cubierta por ningún sensor ‘vivo’. Los agujeros también pueden ser creados por las operaciones dinámicas de los nodos sensores con movilidad. Los agujeros de cobertura definitivamente aparecen en escenarios con despliegue realistas de los nodos, por lo tanto, la calidad del sensado de los datos dan como efecto una WSN con derroche de energía o elevado costo energético. Para este autor el diseño de estrategias de calidad de sensado para objetivos móviles en WSN tanto en topología estrella, malla y de tipo árbol es la motivación de esta tesis doctoral. La metodología de esta tesis tiene enfoque: cuantitativo de tipo pre experimental (basada en la simulación y resultados). Como métodos de investigación: descriptiva (teoría), explorativa (simulación) y explicativa (resultados). Se plantean dos aportaciones; la primera destinada a una WSN con topología estrella y malla con despliegue aleatorio y con un sumidero estático y recopilación de datos utilizando un enfoque basado en nodos estático y movilidad de algunos nodos. Mediante un esquema de cuatro fases o niveles por cada fase hay un algoritmo que mejoran la calidad de sensado y se complementan con un óptimo enrutamiento entre los nodos. La segunda aportación es un mecanismo por aprendizaje de refuerzo habilitado por agentes inteligentes en topología de clústeres desiguales que por esta condición las operaciones de los nodos mayormente son dinámicas. Para la calidad de sensado se empleó métricas como tasa de cobertura, número de nodos muertos. Además de métricas de enrutamiento como throughput, retardo de paquetes, de tal forma que involucrando la calidad de sensado más técnicas eficientes de ruteo se alcance un consumo de energía eficiente para todos los nodos de la red.