Una red de sensores inalámbricos (WSN) es un conjunto de pequeños nodos sensores con capacidades de detección, procesamiento y transmisión. Dado que las funciones de un solo nodo sensor son limitadas, especialmente en lo que respecta al almacenamiento de energía y de datos, es necesario desarrollar una buena topología de red y un protocolo de enrutamiento adecuados. Este artículo se centra en la red de sensores inalámbricos ZigBee, basada en el estándar IEEE 802.15.4, y propone una topología de agrupamiento eficiente, denominada MSCT, basada en el árbol de expansión mínimo (MST). El objetivo final es construir una topología de red con el menor coste posible. La topología descrita en este artículo también tiene en cuenta los entornos interiores, proponiendo métricas para gestionar la pérdida de señal y la atenuación provocadas por paredes y obstáculos, y calculando los pesos de los enlaces entre nodos. Por último, la topología MSCT propuesta en este artículo resulta más ventajosa que la topología Cluster-Tree en cuanto a la pérdida de energía y la vida útil de la red.
Cada una de las tres estructuras de red Zigbee tiene sus propias ventajas. Actualmente, la red Zigbee cuenta con tres arquitecturas: en estrella, en árbol y en malla. Puedes elegir la estructura de red Zigbee más adecuada en función de las necesidades concretas del proyecto.
1. Topología en estrella
Es la topología más sencilla. Contiene un nodo coordinador y una serie de nodos de dispositivos finales. Cada nodo de dispositivo final sólo puede comunicarse con el nodo coordinador. Si es necesaria la comunicación entre dos nodos de dispositivo final, la información debe transmitirse a través del nodo coordinador.
2. Topología de árbol
La topología de árbol incluye un Coordinador y una serie de nodos Enrutadores y Dispositivos Finales. El coordinador conecta una serie de encaminadores y dispositivos finales, y su subnodo encaminadores también puede conectar una serie de encaminadores y dispositivos finales. Esto puede repetirse en varios niveles. La estructura de la topología de árbol se muestra en la siguiente figura:
hay que tener en cuenta es:
Los nodos Co-ordinator y Router pueden contener sus propios nodos hijos.
El Dispositivo Final no puede tener sus propios nodos hijos.
Los nodos con el mismo nodo padre se denominan nodos hermanos
Los nodos con el mismo nodo abuelo se denominan nodos primos.
Reglas de comunicación en topología de árbol:
Cada nodo sólo puede comunicarse con su nodo padre y sus nodos hijos.
Si hay que enviar datos de un nodo a otro, la información se transmite por la ruta ascendente del árbol hasta el nodo antepasado más cercano y luego por la descendente hasta el nodo de destino.
La desventaja de esta topología es que sólo hay un canal de enrutamiento para la información. Además, el enrutamiento de la información corre a cargo de la capa de pila de protocolos, y todo el proceso de enrutamiento es completamente transparente para la capa de aplicación.
La estructura de la red difiere de la estructura de árbol de clústeres descrita anteriormente. Se basa en el árbol de expansión mínima. Supongamos que el grafo G = (V, E) representa la topología de una red de sensores estática, donde V representa un nodo sensor y E representa el peso del enlace entre dos nodos conectados. En teoría, el peso del enlace de una red de sensores representa la distancia euclidiana entre dos nodos, pero, tal y como se ha explicado en la sección anterior, deben tenerse en cuenta la pérdida de señal en el trayecto y la atenuación de la señal debidas a los obstáculos presentes en el entorno interior. Los pesos se ordenan utilizando el algoritmo basado en “Kruskal” [6-7] (Algoritmo 1, que se muestra a continuación). Según este algoritmo, se puede obtener la topología con el coste mínimo de transmisión de la comunicación.
3. Topología de malla
La topología de malla incluye un Coordinador y una serie de Enrutadores y Dispositivos Finales. Esta forma de topología de red es igual que la topología de árbol; consulte la topología de red de árbol mencionada anteriormente. Sin embargo, la topología de red en malla tiene reglas de encaminamiento de la información más flexibles, y los nodos de encaminamiento pueden comunicarse directamente entre sí cuando es posible. Este mecanismo de enrutamiento hace que la comunicación de información sea más eficiente, y significa que una vez que se produce un problema en una ruta de enrutamiento, la información puede transmitirse automáticamente a lo largo de otras rutas de enrutamiento. A continuación se muestra un diagrama esquemático de una topología de malla:
Normalmente, en la implementación de redes malladas de soporte, la capa de red proporcionará la correspondiente función de exploración de rutas. Esta función permite a la capa de red encontrar la ruta óptima para la transmisión de información. Cabe señalar que todas las funciones mencionadas anteriormente son implementadas por la capa de red, y la capa de aplicación no necesita ninguna participación.
La topología de red en malla MESH cuenta con potentes funciones. La red puede comunicarse a través de “saltos multinivel”; esta topología también permite formar una red extremadamente compleja; además, la red cuenta con funciones de autoorganización y autorreparación;
Con el rápido desarrollo de las redes de sensores inalámbricos, la tecnología inalámbrica se utiliza ampliamente en estaciones base que transmiten datos de topografía y cartografía [1]. Las redes de sensores inalámbricos requieren un despliegue en áreas extensas en sus aplicaciones prácticas. Una vez completado el despliegue, resulta relativamente difícil modificarlo de nuevo. Por ello, es necesario utilizar de forma eficiente los recursos limitados de cada nodo de la red. Existen numerosos campos de aplicación de los sensores inalámbricos, como la monitorización de la temperatura y la humedad, la domótica, la monitorización de rescates, etc. La mayoría de las aplicaciones requieren una transmisión inalámbrica a gran escala y deben estar respaldadas por estándares como el IEEE 802.11b. Estudios relevantes han demostrado que los estándares inalámbricos tradicionales, como Bluetooth y WLAN [2], ya no son adecuados para aplicaciones en la domótica y en escenarios de detección industrial en interiores. Para este escenario de aplicación se suele optar por el estándar IEEE 802.15.4. Este artículo se centra en el estudio de la topología de agrupamiento eficiente MSCT, basada en el árbol de expansión mínima (MST), en condiciones de interferencia de paredes en interiores. 1. Topología de red Cluster-Tree. Cluster-Tree es una topología de red basada en el estándar IEEE 802.15.4. En las redes de sensores inalámbricos, el consumo de energía es un aspecto importante que debe tenerse en cuenta. En este artículo se estudiará, en primer lugar, la eficiencia de la topología de red Cluster-Tree en términos de consumo de energía [3]. La topología de red Cluster-Tree se divide en dos relaciones jerárquicas: padre e hijo, tal y como se muestra en la figura 1. En esta topología, cada nodo de clúster se comunica a través del nodo principal de su nivel, y el nodo principal de cada capa está controlado por el coordinador de la PAN [4]. La topología se construye mediante solicitudes de asociación y respuestas de asociación. Para lograr el mejor efecto de control del tipo de red ZigBee, el número y la profundidad de extensión de los nodos hijos de cada nodo padre deben estar dentro de un rango determinado. La profundidad a la que se hace referencia aquí es la distancia entre el coordinador de la PAN y el nodo. Por ejemplo: el nodo del coordinador de la PAN se considera de nivel 0, y el nodo hijo del coordinador de la PAN se considera de nivel 1.
Palabras clave: terminal de transmisión de datos
