Tesis:
Strategies and Tools for Deployment and Optimization of Wireless Sensor Networks
- Autor: MUJICA ROJAS, Gabriel Noe
- Título: Strategies and Tools for Deployment and Optimization of Wireless Sensor Networks
- Fecha: 2017
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/44932/
- Director/a 1º: PORTILLA BERRUECO, Jorge
- Resumen: El campo de investigación de las Redes de Sensores Inalámbricas (en inglés Wireless Sensor Networks, WSN) ha experimentado un importante y progresivo proceso de maduración que ha involucrado la definición de nuevas tecnologías a nivel hardware y software con el fin de abordar escenarios de aplicación mucho más demandantes, en los que plataformas flexibles y adaptables juegan un papel fundamental para la consecución de los requisitos de aplicación y provisión de servicios dentro de diversos entornos de implementación. Aunque el concepto de redes de sensores y computación ubicua se ha ido desarrollando desde la década de los noventa, la evolución de tecnologías de comunicaciones inalámbricas así como el objetivo de alcanzar sistemas globalizados sostenibles, inteligentes e interoperables han traído consigo nuevos paradigmas que de alguna manera también marcan el horizonte de las aplicaciones y tecnologías asociadas a las WSNs. En este sentido, es esencial destacar la inclusión del concepto del Internet de las Cosas (en inglés Internet of Things, IoT), que representa uno de los pilares en la implementación de las llamadas ciudades del futuro, y que marcan un nuevo enfoque en el desarrollo de sistemas embebidos inteligentes, de bajo consumo y distribuidos. Dicho proceso de innovación implica a su vez nuevos y más complejos retos en el ámbito de las redes de sensores inalámbricas debido a la integración intrínseca de una amplia variedad de protocolos, algoritmos y tecnologías heterogéneas que permitan maximizar su viabilidad y rendimiento dentro de la implementación final de sistemas como un todo, más allá del funcionamiento de elementos individuales. La complejidad asociada a la convergencia de tales tecnologías hace que el ciclo de desarrollo de una WSN abarque no sólo una combinación de técnicas de optimización y experimentación en cada una de las etapas de dicho proceso de desarrollo (hasta la operación final y mantenimiento del sistema), sino también una adecuada correlación entre las mismas, para así garantizar el alcance de la solución completa objetivo. En este sentido, durante los últimos años ha habido importantes aportaciones en el estado del arte relacionados con estrategias de desarrollo y planificación de sistemas embebidos inalámbricos, incluyendo técnicas de simulación como preámbulo a la implementación real de la red de sensores. Sin embargo, existe una carencia dentro de la definición de frameworks, metodologías y herramientas que proporcionen un completo soporte para el despliegue, puesta en marcha (que se enmarca dentro de las llamadas estrategias de commissioning) y validación en campo de WSN que permitan asegurar la cohesión y operación global del sistema dentro del escenario de aplicación objetivo. Normalmente, la fase experimental del ciclo de desarrollo más allá del proceso de simulación de la solución objetivo se lleva a cabo a través de infraestructuras de pruebas, en las que avances significativos en el área de plataformas testbeds de redes de sensores han sido propuestas en la última década, con el fin de dotar las actividades de experimentación con arquitecturas reales de depuración y evaluación. No obstante, una menor cantidad de trabajos de investigación se centran en analizar y proveer una sinergia directa entre estrategias de modelado y planificación con técnicas eficientes de despliegue y evaluación de redes de sensores in-situ (especialmente en términos mecanismos de interconexión y encaminamiento entre los nodos sensores distribuidos). En este trabajo de investigación se abordan estos importantes retos mediante el diseño e integración de un completo set de estrategias y herramientas de optimización dentro de una novedosa plataforma de despliegue en campo, la cual permite llevar a cabo el análisis, reconfiguración y evaluación del rendimiento de la WSN de forma directa dentro del escenario de aplicación y de forma eficiente. Para conseguir este propósito, las fases de experimentación y puesta en marcha se plantean en esta tesis doctoral desde una perspectiva pre-despliegue y despliegue in-situ. Por un lado, la fase predespliegue se aborda a través de la propuesta de un nuevo framework para testbeds de redes de sensores inalámbricas basado en la modularidad y flexibilidad de una plataforma hardware-software embebida, sobre la cual el análisis experimental de prototipos para WSN se puede efectuar considerando los siguientes elementos: - Un esquema de soporte para pruebas y experimentación remota que permita la reconfiguración y ejecución de acciones de depuración sobre los nodos sensores objetivo, de manera que un escenario experimental más realista basado en prototipos de redes de sensores de bajo consumo y recursos limitados pueda ser dispuesta, y de forma tal que nuevos prototipos hardwaresoftware se evalúen y optimicen dentro del marco de la arquitectura modular propuesta. Ello se plantea mediante la composición de un canal de depuración secundario híbrido. - Estrategias de reprogramación parcial en tiempo real mediante la definición de una estructura basada en segmentos de memoria dentro de la plataforma modular de WSN, encaminado a modularizar las funcionalidades bajo test y evaluación y optimizar el proceso de reconfiguración del software embebido en los nodos. Dicha técnica de reprogramación es extensible a despliegues en campo y fases de operación estables de red, en el que el reemplazo y/o actualización eficiente de bloques funcionales en términos de consumo de recursos y energéticos representan uno de los principales elementos clave para obtener una mayor autonomía a largo plazo del sistema desplegado. - Una plataforma de integración HW-SW que permita proporcionar a los desarrolladores de sistemas basados en nodos inalámbricos soporte para una efectiva gestión embebida en el nodo de los recursos disponibles en la arquitectura modular, además de controladores hardware e interfaces a nivel de sistema de los dispositivos sensores. Por otro lado, la fase de despliegue se afronta en este trabajo a través del diseño e implementación de una completo set de herramientas interrelacionadas para llevar a cabo el despliegue, validación y ejecución de WSN en campo, en el que la definición de una metodología de despliegue junto con la inclusión de módulos de optimización y análisis comparativos en tiempo real in-situ son integradas en una dispositivo inteligente móvil, y que combina en una única plataforma soporte modelos de simulación con el funcionamiento real del sistema objetivo durante las tareas de instalación, configuración, puesta en marcha y evaluación del rendimiento de la red de sensores en todo su conjunto. Ello permite generar resultados más adaptados y precisos de cara a obtener una operación final eficiente de la WSN en el escenario de aplicación. Esta novedosa plataforma se basa en la integración de funcionalidades heterogéneas considerando los siguientes elementos de innovación: - Modelos de despliegue y red con el fin de definir de forma adecuada los principales elementos hardware y software que formarán parte de la arquitectura global de la WSN, los cuales se encuentran estrechamente relacionados con el proceso de diseño, síntesis y generación de código del sistema embebido, y basado en los requisitos del sistema a desplegar. Ello permite proporcionar una estructura bien definida de entradas y salidas no sólo a los sub-sistemas que componen la herramienta de despliegue en campo sino también al ciclo de desarrollo de la red de sensores inalámbrica. - Motores de simulación in-situ para así proporcionar al usuario deployer una estimación de la correlación nodo/red basado en acciones de reconfiguración y parametrización en tiempo de ejecución sobre los nodos sensores, cuyo resultado puede ser comparado de forma interactiva con la evolución del comportamiento real del sistema conjunto, y tomando en cuenta cómo dichas acciones pueden afectar de forma global el rendimiento de la WSN (mas allá de su influencia a nivel local). - Algoritmos de optimización de despliegue y guía automática en campo que permitirán obtener la matriz real de correlación y configuración de red de modo eficiente, de forma tal que la cohesión de la WSN en todo su conjunto pueda ser alcanzada tomando en consideración un compromiso entre consumo de energía/recursos y la fiabilidad de las interconexiones involucradas entre los dispositivos inalámbricos (tanto a nivel de comunicaciones como a nivel de operación). - Implementación de técnicas eficientes de interconexión multi-salto malladas dentro de la plataforma modular HW-SW, combinadas con estrategias de evaluación de conectividad de los nodos a diferentes niveles de abstracción, con el fin de poder proveer soporte en el análisis del rendimiento de los protocolos de comunicaciones de baja tasa de transferencia de datos y recursos limitados en los dispositivos inalámbricos que forman parte de la WSN objetivo. En tal sentido, se toma en cuenta de forma particular la integración de esquemas de encaminamiento dinámico y adaptable en la arquitectura modular propuesta. - Integración de una capa de abstracción de servicios soporte basada en una implementación middleware así como el diseño de una interfaz de depuración en campo dentro de la herramienta de despliegue, enfocado a establecer un canal de configuración e interacción en tiempo de ejecución con los nodos sensores de forma directa en el entorno de aplicación y en total sintonía con los modelos de despliegue/red definidos. Ello permite a los usuarios producir una realimentación mucho más completa al ciclo de desarrollo de la WSN en función del análisis comparativo de los datos reales y simulados de la red, en conjunción con los resultados obtenidos como salida del proceso de evaluación en campo del sistema global. El diseño e implementación del set de herramientas de despliegue se ha realizado prestando especial atención a la generación de interfaces intuitivas y de fácil uso desde el punto de vista del deployer, para así poder proveer asistencia durante las tareas de puesta en marcha, evaluación y mantenimiento en campo de forma consistente. En este sentido, la plataforma inteligente se compone principalmente del denominado Hand- Held Device (HHD) en el que las tecnologías de WSN, módulos de simulación in-situ, optimización y evaluación funcional son integrados de manera efectiva e interrelacionados entre sí, para así guiar al usuario durante todo el proceso de despliegue de la red de sensores inalámbrica en el escenario objetivo. Se han llevado a cabo y analizado diversos casos de pruebas y experimentación dentro de este trabajo de investigación con el fin no sólo de validar las técnicas propuestas y su integración dentro de una plataforma unificada, sino también para contextualizar su aplicabilidad a través de distintos ámbitos reales prácticos, en los que el soporte y asistencia de las estrategias pre-despliegue y despliegue en campo han jugado un rol fundamental para la consecución de los objetivos y requisitos de tales sistemas basados en WSN. Con el fin de abordar en detalle el trabajo realizado dentro del marco de la presente tesis doctoral, la organización del documento se ha desglosado de 6 capítulos. En el capítulo 2 se plantea un análisis comparativo del estado del arte de testbeds para WSN, además de exponer los principales motivos que engloban el diseño del framework de integración HW-SW para testbeds basados en la plataforma modular propuesto en este trabajo. La arquitectura hibrida desarrollada junto con las estrategias de reprogramación parcial y remota también se incluyen dentro de este capítulo. Por otro lado, el capítulo 3 abarca una de las principales contribuciones de esta tesis doctoral, que tiene que ver con el set de herramientas para el despliegue de WSNs en campo, incluyendo el análisis de aquellos aspectos que acentúan la necesidad de contar con una plataforma HW-SW bien definida y unificada para llevar a cabo la configuración, evaluación y mantenimiento en campo del despliegue de redes sensores inalámbricas. En base a ello, el capítulo 4 se ha dedicado a sintetizar la implementación a alto nivel del set de herramientas de despliegue y cómo las principales capacidades del sistema propuesto han sido integradas en una interfaz de usuario conjunta y heterogénea. En el capítulo 5 se describen algunos de los principales casos experimentales con el fin de validar no sólo las estrategias que integran la herramienta de despliegue en campo, sino también su inclusión dentro de diferentes condiciones de aplicación, incluyendo los retos, el diseño y desarrollo de un demostrador inteligente realizado dentro del contexto de la presente tesis y enfocado al ámbito de las Smart Cities. Finalmente, conclusiones, principales aportaciones científicas y resumen del trabajo de investigación futuro como fruto de esta tesis son presentados en el capítulo 6. ABSTRACT The progressive evolution and maturity process of the research field of Wireless Sensor networks (WSN) has encompassed new hardware and software approaches in order to face more demanding smart scenarios, where flexible and adaptable platforms play a fundamental role to properly address application requirements and service provision. Although the concepts of sensor networks and pervasive computing systems have been developed since the late nineties, the evolution of wireless communication strategies as well as the aim of a smart, sustainable and connected world came out with novel paradigms that are also defining the new horizon of WSN-based applications and related technologies. In particular, the progressive inclusion of the Internet of Things (IoT) as the main foundation for the “city of the future” implementation has defined a new way of approaching the development of embedded sensor systems. This innovation process also implies new and more complex challenges due to the inherent integration of a wide range of different technologies, protocols and algorithms so that their performance and feasibility within final system implementations can be maximized as a whole. The complexity of converging these technologies into an efficient heterogeneous implementation makes the development cycle of a WSN not only a combination of different testing and optimization techniques at each stage of the development process (up until the final operability and maintenance of the system), but also a proper correlation among them, so as to guarantee the final success of the overall solution. In this way, there have been important contributions in the state of the art related to development and planning strategies of wireless embedded systems, including simulation techniques prior to the actual realization of the sensor network. However, there is still a lack of well-defined frameworks, methodologies and tools to carry out the on-site deployment, commissioning, and validation activities as a support for developers and deployers to assure the cohesion and operability of the real WSN at the target scenario. Traditionally, the experimental phase of the development cycle beyond the simulation process has been accomplished with the assistance of testing infrastructures, and significant advances regarding the implementation of WSN testbed platforms have been discussed in the literature in recent years. However, fewer works attempt to provide a direct synergy between modelling and planning strategies with efficient deployment and on-site assessment techniques (particularly considering communication performance, wireless routing algorithms and networking mechanisms of the distributed sensor nodes). In this work these challenges are addressed by proposing the design and integration of a comprehensive set of strategies and optimization tools in an in-field deployment platform, which allows performing a consistent on-site analysis, reconfiguration and performance evaluation of WSNs. For this purpose, the experimental and in-field commissioning phases are tackled in this thesis from a pre-deployment and on-site deployment perspective. On one hand, the former one is approached by proposing a new WSN testbed framework based on the modularity and flexibility of an embedded HW-SW node platform, from which the experimental analysis of WSN prototypes can be carried out considering: - A WSN remote testing support scheme that allows seamless reconfiguration and execution of debugging actions on the target sensor nodes, so that more realistic experimentation of low-power resource-constrained sensor network prototypes and novel hardware and software developments can be performed upon the foundation of this modular architecture, and through a backchannelbased hybrid composition. - Runtime partial reprogramming strategies by defining a memory-segmentsbased structure to modularize the functionalities under test as well as optimize the reconfiguration process of the embedded software, which is extensible to infield deployment and operational stages where energy-efficient functional block replacements or reprogramming procedures are one of the main keys to assure the long-term autonomy of the deployed system. - A HW-SW integration platform to provide users with a complete support for an in-node embedded management of the architecture resources, low-level hardware controllers and system interfaces of the sensor devices. On the other hand, the latter phase is accomplished by implementing a network deployment methodology along with the inclusion of runtime comparative analysis modules integrated in a unique on-site WSN deployment tool-chain (and within a mobile intelligent platform), in which a combination of simulation models with the actual system behaviour during the installation and commissioning process allows deployers to produce more adapted and accurate in-field results towards the operational release of the WSN-based system. This platform encompasses the integration of heterogeneous functionalities into a single element allowing for: - Network/deployment models to properly define the main hardware and software elements that take part in the whole WSN architecture, so that a wellstructured modular input for and output from the on-site deployment subsystems can be provided. These models are associated with the design, synthesis and code generation process of the embedded platform, and based on the input requirements of the target system. - In-field simulation engines for site estimation of network/node correlation based on the runtime parametrization and configuration actions carried out on the sensor devices, which can be interactively compared with the real performance evolution of the overall system, taking into account how such actions may affect the global behaviour of the WSN (beyond their local influence). - Deployment optimization algorithms and on-site automatic guidance to efficiently perform the network correlation and configuration tasks, so that the cohesion of the whole WSN can be achieved taking into account a trade-off between energy/resource consumption and reliability among the involved interconnections (both the communication and operational side). - Implementation of efficient multi-hop wireless mesh networking mechanisms into the modular HW-SW platform and connectivity evaluation strategies to analyse the performance of low-rate and resource-constrained communication protocols, particularly targeting dynamic and adaptable routing schemes. - Integration of middleware-based support services and implementation of a debugging communication interface in the on-site deployment toolset in order to establish the runtime configuration and interaction with the sensor nodes in field, so that users are capable of providing a more comprehensive feedback to the system development cycle based on the comparative analysis of real plus simulated data along with the results of the on-site WSN evaluation process. Such abstraction layer is indeed in line with the network/deployment models, so that a consistent analysis and evaluation of the target system can be accomplished. The design and implementation of the deployment toolset have been realized paying special attention to the provision of an intuitive and easy-to-use interface for conveniently assisting deployers during the in-field commissioning, evaluation and maintenance activities of the wireless system. In this way, the intelligent platform is mainly composed of a Hand-Held Device (HHD) in which the WSN technologies, infield simulation, optimization and performance assessment modules are effectively integrated so as to properly guide users throughout the whole process of deploying the target sensor network. Real tests and experimental use cases have been carried out not only to validate the proposed strategies but also to put these capabilities into different application contexts, where the support and assistance of the designed pre-deployment and on-site deployment tools played an important role for the success of the aimed WSN-based systems. In order to deeply address the work carried out in this thesis, the document has been organized in 6 chapters. In chapter 2, a comparative analysis of the state-of-the-art WSN testbed solutions is presented, together with the main motivations that outline the testbed framework proposed in this work. The HW-SW architecture along with the partial and remote reprogramming scheme are also presented in this chapter. Chapter 3 encompasses one of the major contributions of the present thesis, which is the design and development of the on-site WSN deployment and commissioning toolset, including the analysis of relevant issues related to the necessity of having an in-field HW-SW platform to carry out the configuration, analysis and performance evaluation of wireless sensor deployments. Based on this, chapter 4 summarizes the implementation of the deployment toolset and how the main capabilities of the proposed system have been integrated into a unique user interface. Chapter 5 is dedicated to describe several experimental test cases to validate not only the different strategies that integrate the on-site deployment toolset but also the overall system implementation in different application conditions, including further details regarding the challenges, design and development of a smart city demonstration scenario realized in the context of this thesis. Finally, conclusions, summary of scientific contributions as well as future research work are outlined in chapter 6.