Introducción
Los recientes avances en la tecnología basada en sensores microelectromecánicos de baja potencia analógica y digital, y baja potencia de diseño RF han permitido el desarrollo de microsensores inalámbricos de bajo costo y de baja potencia. Estos sensores no son tan fiables o precisos como los macrosensores de alto precio, pero su tamaño y costo permiten aplicaciones de red a cientos o miles de esos microsensores con el fin de lograr la calidad. El monitoreo fiable de entorno es importante en una variedad de aplicaciones comerciales y militares. Por ejemplo, para un sistema de seguridad, acústica, sísmico y sensores de video pueden utilizarse para formar una red ad hoc para detectar intrusiones. Los microsensores también pueden utilizarse para monitorear las máquinas para la detección y el diagnóstico de fallos.
Las redes de microsensores pueden tener cientos o miles de nodos sensores. Se desea hacer que estos nodos sean más baratos y energéticamente eficientes como sea posible y confiar en sus grandes números para obtener resultados de alta calidad. Los protocolos de red deben de estar diseñados para lograr la tolerancia a fallos en presencia de insuficiencia de un nodo individual mientras se reduzca el consumo de energía. Además, ya que el ancho de banda inalámbrico limitado tiene que ser compartido entre todos los sensores de la red, los protocolos de enrutamiento para estas redes deben ser capaces de realizar la colaboración local para reducir los requisitos de ancho de banda.
La comunicación entre los nodos sensores y la estación base es cara, y no hay nodos de "alta energía" a través de la cual la comunicación puede proceder. Ese es el marco del proyecto, el cual se centra en inovadoras soluciones de energía optimizada en todos los niveles de la jerarquía del sistema, desde la capa física y los protocolos de comunicación hasta la capa de aplicación y el eficiente diseño DSP para nodos microsensores.
Mediante el análisis de ventajas y desventajas de los protocolos de enrutamiento convencionales utilizando el modelo de redes de sensores, se desarrolló LEACH (Low-Energy Adaptative Clustering Hierarchy), un protocolo basado en clustering que minimiza la disipación de energía en estas redes. Las principales características de LEACH son:
- Coordinación localizada y control de la configuración y funcionamiento del clúster.
- Rotación aleatoria de las "estaciones base" o "cabezas del clúster" del clúster y de los clusters correspondientes.
- Compresión local para reducir la comunicación local.
El uso de clusters para la transmisión de datos a la estación base aprovecha las ventajas de las pequeñas distancias de transmisión para la mayoría de los nodos, requiriendo solamente unos pocos nodos para transmitir distancias lejanas a la estación base. Sin embargo, LEACH supera los algoritmos del clustering clásico utilizando el uso de clusters adaptativos y la rotación de las cabezas del cluster, permitiendo que los requerimientos de energía del sistema se distribuyan entre todos los sensores. Además LEACH es capaz de realizar comunicación local en cada clúster para reducir la cantidad de datos que debe transmitirse a la estación base. Esto produce una gran reducción en la disipación de energía.
Primer modelo de Radio
Actualmente, existe una gran investigación en el área de radios de baja energía. Las diferentes suposiciones acerca de las características del radio, incluyendo las pérdidas de energía en los modos de transmisión y recepción, cambiarían las ventajas de los diferentes protocolos. En este trabajo, se asume un modelo simple donde el radio se disipa 
para ejecutar el circuito transmisor o receptor y 
para el amplificador de transmisión para lograr un nivel aceptable 
. Estos parámetros son ligeramente mejores que el estado actual de la técnica en el diseño de radio. También se asume una pérdida de energía 
debido a la transmisión del canal. Por lo tanto, para transmitir un mensaje de k-bits en una distancia 
utilizando el modelo de radio, el radio gasta:
y para recibir este mensaje, el radio gasta:
Análisis de energía de protocolos de enrutamiento.
Existen diferentes protocolos de enrutamiento de red propuestos para redes inalámbricas que se pueden examinar en el contexto de redes de sensores inalámbricos. Se examinaron dos de estos protocolos de comunicación, la comunicación directa con la estación base y el enrutamiento multi-hop de mínima energía utilizando la red de sensor y los modelos de radio.
Utilizando un protocolo de comunicación directa, cada sensor envía sus datos directamente a la estación base. Si la estación base está muy lejos de los nodos, la comunicación directa requiere una gran cantidad de potencia de transmisión de cada nodo. Esto agotaría rápidamente la batería de los nodos y reduce el tiempo de vida del sistema. Sin embargo, si la estación base se encuentra cerca de los nodos, o la energía requerida para recibir la información es grande, puede ser un método aceptable de comunicación.
El segundo enfoque convencional que se considera es un protocolo de enrutamiento de "energía mínima". Existen varios protocolos de enrutamiento, en estos protocolos, los nodos de datos de la ruta destinados a la estación base a través de nodos intermediarios. Por lo tanto, los nodos actúan como enrutadores para los datos de otros nodos. Algunos de estos protocolos, solo consideran la energía del transmisor y el abandono de la disipación de energía de los receptores en la determinación de rutas. En este caso, se eligen los nodos intermediarios de tal manera que la energía del amplificador de transmisión (ej. =\epsilon_{amp}*k*d^2 "E_{Tz-amp}(k,d)=\epsilon_{amp}*k*d^2")
) es minimizada. Este nodo se transmite al nodo C a través del nodo B si y sólo si:
Sin embargo, para este protocolo de enrutamiento de transmisión de energía mínima, en lugar de sólo uno (alta energía) transmisión de los datos, cada mensaje debe atravesar n (baja energía) transmitidos y n recibidos. Dependiendo de los costes relativos del amplificador de transmisión y la electrónica de radio, la energía total gastada en el sistema podría ser en realidad mayor utilizando el enrutamiento MTE (Minimum Transmission Energy) que la transmisión directa a la estación base.
Para ilustrar esto, se considera la red lineal que se muestra en la imagen de abajo, donde la distancia entre los nodos es 
. Si se considera el gasto energético en la transmisión de un mensaje de un solo bit desde un nodo situado a una distancia de la estación base utilizando el enfoque de la comunicación directa y las ecuaciones que se muestran arriba, se tiene:
En el enrutamiento MTE, cada nodo envía un mensaje al nodo más cercano en el camino a la estación base. El nodo situado a una distancia nr de la estación base requeriría n transmisiones, una distancia r y n-1 recibidos.
Utilizando las ecuaciones anteriores y la red de 100 nodos al azar, se simula la transmisión de los datos de cada nodo a la estación base (situada a 100 metros del nodo sensor más cercano, en (x=0, y=-100)) utilizando MATLAB. La figura 4 muestra la energía total gastada en el sistema al aumentar el diámetro de la red de 10 metros x 10 metros a 100 metros x 100 metros y la energía gastada en electrónica de radio, la cual incrementa de 10 nJ/bit a 100 nJ/bit, para el escenario donde cada nodo tiene un paquete de datos de 2000 bits para enviar a la estación base. Con esto se demuestra que cuando la energía de transmisión está en el mismo orden que la energía recibida, que se produce cuando la distancia de transmisión es corta y/o la energía electrónica de radio es alta, la transmisión directa es más eficiente energéticamente a utilizar.
LEACH: Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy
Leach es un protocolo de auto-organización, un protocolo adaptativo de clustering que utiliza la asignación al azar para distribuir la carga de energía de manera uniforme entre los sensores de red. En LEACH, los nodos se organizan en clusters locales, con un nodo actuando como estación base local o cabeza del clúster. Como se dijo anteriormente, LEACH incluye rotación aleatoria de la posición de la cabeza del clúster, que rota entre los distintos sensores con el fin de no agotar la batería de un único sensor. Además, LEACH realiza la fusión de datos locales para comprimir la cantidad de datos que se envían a través de los clusters a la estación base, reduciendo aún más la disipación de energía.
Los sensores se eligen a sí mismos ara ser cabezas locales del clúster en cualquier momento dado con una cierta probabilidad. Estos nodos transmiten su estado a los demás sensores de la red. Cada nodo sensor determina a que clúster quiere pertenecer eligiendo una cabeza del clúster que requiera la mínima energía para la comunicación. Una vez que todos los nodos se organizan en los clusters, cada cabeza del clúster crea un calendario para los nodos de su clúster. Esto permite que los componentes de radio de cada nodo que no sea cabeza del clúster sean apagados en todo momento, excepto durante el tiempo de transmisión, reduciendo así al mínimo la energía disipada en los sensores individuales. Una vez que la cabeza del clúster tiene todos los datos de los demás nodos, la cabeza del clúster agrega los datos y los transmite comprimidos hasta la estación base. Dado que la estación base está muy lejos, en el escenario que se examina, se trata de una transmisión de alta energía.
Conclusión:
El ahorro de energía se me hace algo muy importante en las redes, en este paper que investigué habla de una forma de ahorro de energía para redes de microsensores. Hay muchísimas formas para ahorrar energía y cada una funciona diferente pero lo que importa es lograr que se pueda gastar el mínimo de energía al transmitir los datos.
Este método que se utiliza en este paper me gusta ya que piensan en todo, y realizan varios experimentos para ver cual tiene más éxito. Al transmitir los datos toman en cuenta que estos datos son transmitidos de nodo a nodo hasta llegar al destino que es la estación base, pero hay que tomar en cuenta que mientras se están mandando los datos, todos los nodos están activos, por eso en este paper se utilizan clusters para que mientras los nodos estén inactivos estén apagados y así puedan ahorrar energía. También se tienen una serie de características que lo hace más funcional. En mi opinión, hay que tomar en cuenta muchas cosas para que una red sea eficiente, y es muy importante siempre tomar en cuenta el ahorrar energía.
Referencias:
Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks
Wendi Rabiner Heinzelman, Anantha Chandrakasan, Hari Balakrishnan
System Sciences, 2000. Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on
Sigue faltando al inicio una identificación clara de los autores del trabajo original. Las ecuaciones parecen capturas de pantalla del paper :( 6 pts.
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