Ensayo sobre el Artículo “Wireless sensor networks: A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards”

Ensayo sobre el Artículo “Wireless sensor networks: A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards”

Jaime Menéndez Álvarez 2032313

El artículo “Wireless sensor networks: A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards” fue publicado en Computer Communications, una revista internacional para la industria de la computación y las telecomunicaciones ocupando las páginas de 1655-1695 del volumen 30 lanzado en mayo del 2007. Computer Communications es una revista que publica artículos científicos de alta calidad (tanto teóricos como prácticos) y revisiones bibliográficas que cubren aspectos de las futuras redes de comunicación en todas las capas, con especial atención a evolución de la arquitectura de Internet, protocolos, servicios y aplicaciones. Cada artículo publicado es revisado estrictamente por una junta de revisores académicos expertos en el tema para determinar la calidad de la investigación y el cumplimiento de los estándares editoriales de la revista. Para esta edición, los editores de este artículo fueron Torsten Braun, Georg Carle, Sonia Fahmy y Yevgeni Koucheryavy, expertos en el tema y conocidos por sus numerosas publicaciones en el área de las telecomunicaciones. El impacto de la revista para ese entonces (2007) era de 1.33 pero actualmente se ha elevado a 2.766, habiendo ganado prestigio en los últimos años.

El artículo realiza una exhaustiva revisión bibliográfica en el campo de las redes inalámbricas de sensores, reconociendo la importancia y el bajo costo de esta nueva tecnología para monitoreo desatendido en una amplia gama de entornos y aplicaciones. Destaca además la transcendencia de la implementación del estándar IEEE 802.15.4 para las capas físicas y MAC y el estándar ZigBee lo cual ha motivado el desarrollo de esta tecnología. Plantea como motivación el rápido progreso de la investigación sobre la eficiencia energética, la gestión de datos y la seguridad en las redes de sensores inalámbricas, así como la necesidad de comparar las soluciones adoptadas en los estándares existentes.

El artículo se organiza de manera lógica e introduciendo al lector poco a poco en el campo de las redes de sensores y los estándares existentes. La redacción es clara, de fácil lectura y moviéndose de los temas más sencillos a los más complejos sin desvirtuar al lector, pero sin dejar de utilizar un lenguaje técnico correcto. Comienza dando una visión general de las múltiples aplicaciones de las redes de sensores a la fecha de redacción, evidenciando la novedad y utilidad del tema. Luego presenta el hardware de una red de sensores y los estándares ZigBee/IEEE 802.15.4, y analiza los temas de eficiencia energética, ruteo y problemas de localización, así como las técnicas para la administración de la red. Finalmente aborda uno de los temas más importantes y de mayor complejidad, referido a la seguridad en las redes inalámbricas de sensores, para terminar con las conclusiones y referencias del artículo.

A pesar de que en el título se incluye en general “revisión de redes inalámbricas de sensores” (Wireless sensor networks: A survey on the state of the art), no se hace mención en el artículo a tecnologías como Bluetooth, Infrarrojos o RFID que también se habían desarrollado para la fecha de publicación del artículo, centrándose solamente en el estándar 802.15.4 y los estándares ZigBee. Esto hace que el trabajo sea una buena referencia para los estándares mencionados, cubriendo de manera exhaustiva todos sus temas, pero dejando una brecha en el resto de las numerosas redes inalámbricas de sensores que utilizan otras tecnologías. Al día de hoy el artículo ha tenido gran trascendencia habiendo sido citado en scholar.google más de 1879 veces.

Desde el 2007 se han realizado numerosas actualizaciones y correcciones en el  estándar 802.15.4, estando en proceso de aprobación el borrador para la nueva versión del  2020 (https://standards.ieee.org/standard/802_15_4-2020.html), por lo que se considera que el artículo no cubre todos los detalles sobre el tema, y debido al paso del tiempo ha ido quedando absoleto. No deja de ser una referencia de los tópicos básicos del 802.15.4 pero muchas funcionalidades se han agregado desde la fecha de publicación, por lo que la actualidad se ve comprometida. Se adjunta el link de las diferentes versiones y correcciones del estándar 802.15.4 desde el 2007:

  IEEE standard 802.15.4v-2017 

  IEEE standard 802.15.4u-2016 

  IEEE standard 802.15.4t-2017 

  IEEE standard 802.15.4q-2016 

  IEEE standard 802.15.4p-2014 

  IEEE standard 802.15.4n-2016 

  IEEE standard 802.15.4m-2014 

  IEEE standard 802.15.4k-2013 

  IEEE standard 802.15.4j-2013 

  IEEE standard 802.15.4g-2012 

  IEEE standard 802.15.4f-2012 

  IEEE standard 802.15.4e-2012 

  IEEE standard 802.15.4d-2009 

  IEEE standard 802.15.4c-2009 

  IEEE standard 802.15.4a-2007 

  IEEE standard 802.15.4-2015 

  IEEE standard 802.15.4-2011

El estándar ZigBee también ha tenido numerosas actualizaciones en los últimos años, siendo la última versión la 3.0, que ya utiliza el estándar IEEE 802.15.4-2011 y protocolos como Zigbee PRO 2015 o versiones más modernas (véase  https://zigbeealliance.org/solution/zigbee/). Ya el nivel de red de Zigbee 2007 no es compatible con el de Zigbee 2004-2006, aunque un nodo RFD puede unirse a una red 2007 y viceversa, no pueden combinarse routers de las versiones antiguas con un coordinador 2007. Estos cambios, y muchos otros que han surgido desde el 2007, no se cubren en el artículo, haciendo el survey algo absoleto para los temas más actuales relacionados con ZigBee.

Hardware

El autor comienza realizando una revisión del hardware de los sensores inalámbricos utilizado en la mayor parte de las aplicaciones reportadas en la literatura. En general, plantea que los sensores están equipados con un transceptor de radio con fuente de alimentación autónoma y un conjunto de transductores a través de los cuales obtienen información sobre el entorno. El tamaño de la batería generalmente determina el tamaño del sensor (en la mayoría un par de baterías estándar AA estándar) pero se realizan estudios para reemplazar / integrar las fuentes de batería con algunos métodos de captación de energía, como las células solares, con algunas reservas sobre la efectividad real de dichos métodos. Como sistema operativo se utiliza TinyOs es un sistema basado en eventos, simple y ampliamente utilizado, aunque la naturaleza de comando/evento de TinyOs hace que la programación aplicaciones sea bastante compleja y propensa a errores. Una alternativa interesante proviene del sistema operativo Nut/OS.

Debido probablemente a las propias políticas de la revista que generalmente no publica contenido relacionado con la capa física, el contenido de esta sección es corto y conciso, presentando solo los elementos esenciales de las redes de sensores inalámbricas y referenciando a otros autores para más detalles. No obstante, se presenta el contenido necesario para la correcta comprensión del resto de las secciones del artículo.

Visión General sobre Zigbee y 802.15.4

En la tercera se introduce una visión general sobre ZigBee y el estándar IEEE 802.15.4.  ZigBee Alliance es una asociación de compañías que trabajan juntas para desarrollar estándares y productos para una red inalámbrica confiable, rentable y de baja potencia y se basa en el estándar IEEE 802.15.4 que define las capas físicas y MAC para redes de área personal de bajo costo y baja velocidad. La capa física admite tres bandas de frecuencia como se muestra en la tabla, además de las modulaciones y características especificadas.

[pic 1]

La capa MAC define dos tipos de nodos: dispositivos de función reducida (RFD) y dispositivos de función completa (FFD). Los FFD están equipados con un conjunto completo de funciones de capa MAC, que les permite actuar como un coordinador de red o un dispositivo final de red proporcionando servicios de sincronización, comunicación y unión de nuevos dispositivos de red. Los RFD solo pueden actuar como dispositivos finales y están equipados con sensores/actuadores como transductores, interruptores de luz, lámparas, etc. Solo pueden interactuar con un FFD.

Zigbee admite múltiples topologías de red, que incluyen principalmente estructuras de estrella, árbol y malla, como que se muestra en la Figura. Están compuestas por el Coordinador, el enrutador y el dispositivo final. El Coordinador y el enrutador necesitan ser dispositivos de función completa (FFD), pero el dispositivo final puede ser un dispositivo de función completa (FFD) o un dispositivo de funciones reducidas (RFD).

El algoritmo de enrutamiento depende de la topología utilizada en la red de sensores. En una topología de árbol, los enrutadores mantienen solo su dirección y la información de dirección asociada con sus hijos y padres. Dada la forma en que se asignan las direcciones, un enrutador que necesita reenviar un mensaje puede determinar fácilmente si el destino pertenece a un árbol específico, si es así, enruta el paquete al hijo apropiado; de lo contrario, enruta el paquete a su padre. La topología de la red de malla es más compleja de manejar, pero son más robustas y resistentes a las fallas. Los enrutadores deben mantener una tabla de enrutamiento (RT) y emplean un algoritmo de descubrimiento para construir y actualizar las rutas. En Zigbee este proceso se basa en el conocido algoritmo de enrutamiento de vector de distancia en demanda ad hoc (AODV). [pic 2][pic 3]

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