Tarea 8: Aplicaciones de las redes de sensores

Para esta semana en la clase de redes de telecomunicaciones se nos dio a la tarea de leer documentos científicos relacionados con redes de sensores aplicadas. Esta publicación servirá a manera de reporte para dicha tarea.

El documento que seleccione para realizar el resumen es el siguiente:

F. Akyildiz, I. and Pompili, D., et al. (n.p.) Challenges for Efficient Communication in Underwater Acoustic Sensor Networks. [e-book] Atlanta: Broadband & Wireless Networking Laboratory. p.1-6. www.ece.gatech.edu/research/labs/bwn/papers/2004/j11.pdf [Accessed: 27 May 2013].


Las redes de sensoras marinas son utilizadas para obtener datos, control de la contaminación, en exploración marina o en vigilancia táctica en usos militares.
Este paper habla sobre el uso de vehículos marinos autónomos para recabar este tipo de información. El principal tema que se trata es utilizar redes sensoras que se comunican por canales acuáticos. En esta área los principales problemas a los que hace referencia el paper es sobre el stack de protocolos que se usa en este tipo de aplicaciones.

Uno de los retos de los vehículos marinos auto-tripulados es que deben ser capaces de poder configurar sus procesos de forma inteligente, es decir estos deben ser capaces de coordinar sus operaciones, intercambiar datos como sus coordenadas, su velocidad, o para transmitir los datos monitorizados hacia estaciones terrestres. De este modo las redes que generan deben también se adaptan a los datos de los demás nodos y además al océano en donde trabajan.

Entre las aplicaciones que permitirla este tipo de tecnología se encuentran:

• Redes para tomar muestras en los océanos: Los vehículos auto-tripulados pueden realizar, un monitoreo del medio ambiente marino y obtener muestras en 3D de las condiciones del mismo.
• Monitorizar la contaminación en un medio ambiente marino.
• Sistemas UAV de detección y monitoreo de diferentes áreas en la búsqueda de intrusos en un área de vigilancia.

Según este paper una de las cosas interesantes que encontré es que normalmente existen dos tipos de comunicaciones a distancias entre dispositivos marinos, son las comunicaciones acústicas como los delfines, las desventajas es que están pierden intensidad fácilmente cuando las frecuencias de transmisión son muy grandes por lo que para una transmisión marina normalmente se utilizan frecuencias entre 30 y 300 Hz, lo cual requiere una gran antena y gran cantidad energía. La alternativa son los medios de transmisión ópticos, estos no se ven afectados en largas distancias como las transmisiones acústicas, pero debido a que las señales de luz se esparcen muy fácilmente esto complica demasiado su utilización.

De forma tradicional en proyectos de monitoreo submarino utilizando estas redes de sensores, los nodos son enviados al fondo marino para obtener información y después que estos terminan son recuperados para analizar la información. En el documento se habla de que esta implementación tiene las siguiente desventajas:

• No es posible el monitoreo en tiempo real: En algunos casos como por ejemplo monitoreo sísmico submarino, obtener los datos en tiempo real es algo sumamente necesario.
• No es posible interactuar directamente con el ambiente marino y los instrumentos de monitoreo: Esto es un impedimento para realizar una modificación de la configuración de la red, con lo cual tal vez se puede perder la oportunidad de obtener mas datos.
• Si existe una falla en la programación de los nodos o la configuración de la red, no es posible resolver esto hasta que los instrumentos son recuperados.
• La cantidad de datos a obtener esta limitada: Debido a que los datos no se pueden transmitir en tiempo real, la cantidad de datos esta limitada para el máximo que los nodos de la red pueden guardar.

Por lo tanto esto demuestra lo necesario que es realizar redes de sensores marinos que sean capaces de monitorizar datos y configurar la red en tiempo real.

Entre los problemas que se hablaban anteriormente es que no existen protocolos para transmisiones acústicas marinas, estos deben diferenciarse de los protocolos de comunicaciones terrestres por las siguientes razones:

• Costos: Los sensores marinos son muchos mas caros que los sensores terrestres.
• Desplegarlos: Al desplegar los nodos en un ambiente marino es mas fácil que los nodos se dispersen.
• Potencia: Se necesita un a mayor potencia para llevar a cabo una comunicación bajo el agua dado que como se acaba de decir los nodos se encuentran mas dispersos y se necesitan comunicaciones mas extensas, además de que el procesamiento de las señales que se reciben también es mas complejo por lo cual el gasto de energía es mayor que en comunicaciones terrestres.

Tomando esto en cuenta se podría decir que los mayores retos de la comunicación acústica bajo el agua son.

• La cantidad de batería es muy limitada y normalmente estas baterías son difícilmente recargables por que la energía solar a ciertos niveles bajo el agua no puede ser explotada.
• La banda de ancha disponible normalmente esta muy limitada.
• Grandes frecuencias de errores en bits durante la transmisión.
• Los sensores acuáticos tienen a tener fallas mas fácilmente debido a distintas causas como por ejemplo la corrosión.

Arquitectura de comunicación de las redes de sensores marinas con comunicación acústica

Otro de los temas abarcados por el documento es la arquitectura de la red, esto al parece es todavia un tema que requiere investigación. En al articulo se describen las dos siguientes arquitecturas:

• La red marina estática dos dimensional: Estas están constituidas por nodos sensores que se encuentran alojados en el fondo del océano, típicamente las aplicaciones de estas son el monitoreo del medio ambiente y de las placas tectónicas.
• La red marina estática tres dimensional: Estas incluyen redes de sensores que pueden ser controladas, y pueden ser utilizadas para aplicaciones de vigilancia de de fenómenos marinos como podrían ser bio-procesos químicos marinos, corrientes de agua, contaminación, etc.

Redes de sensores marinas de dos dimensiones



Este tipo de redes como ya se menciono se distribuyen dentro del fondo marino utilizando grandes anclas oceánicas. Para fines de vinculo acústicos los nodos sensores están conectados a uno o mas
transmisores en el Oceanía como se muestra en la imagen de arriba. Estos transmisores llamados uw-sink son dispositivos que se encargan de llevar la información de las redes  de sensores en el fondo del mar a la superficie, para lograr esto los uw-sink están equipados con dos transmisores, uno vertical y otro horizontal, el horizontal se encarga de transmitir información hacia y desde las redes de sensores en cambio el horizontal se encarga de transmitir los hacia la superficie.
El transmisor vertical debe ser de un muy largo alcance para que sea utilizable que puede llegar a necesitar al menos 19km de  alcance, en cambio el vertical debe ser de un alcance muy parecido al de los sensores.

Esta clase de conexión por ahora nos muestra que es posible:

• Transmitir datos de configuración.
• Empezar un canal de comunicación entre la red de sensores y la superficie.

En la superficie el receptor vertical debe ser capaz de poder comunicarse de manera paralela, con los diferentes uw-sink que pueda haber en el fondo del océano. Además este receptor en la superficie esta dotado con un transmisor RF o con un transmisor satélite.

En la red de sensores en el fondo marino, estos pueden transmitir los datos obtenidos hacia el uw-sink de manera directa o por lo que se conoce como multi-hop. El primero es quizas no la manera mas óptima de transmitir la información ya que dado que la distancia es muy larga la cantidad de energía para transmitir incrementa además de que varios nodos transmitiendo al mismo tiempo hacia la misma dirección puede generar ruido en las transmisiones. Una forma mas óptima es la de transmitir esta información es por multi-hop, es decir los nodos crean una red de forma inteligente creando conexiones entre ellos y los datos se van pasando por nodos intermedios antes de llegar al nodo mas cercano al uw-sink y que este trasmitirá la información al uw-sink.

Referencias:

F. Akyildiz, I. and Pompili, D., et al. (n.p.) Challenges for Efficient Communication in Underwater Acoustic Sensor Networks. [e-book] Atlanta: Broadband & Wireless Networking Laboratory. p.1-6. www.ece.gatech.edu/research/labs/bwn/papers/2004/j11.pdf [Accessed: 27 May 2013].