Diseño y validación de políticas de transmisión de datos en redes inalámbricas de sensores de bajo consumo

Resumen

El envejecimiento de la población, el sobrepeso, y el aumento de enfermedades crónicas, tales como: afecciones cardiacas, diabetes e hipertensión, plantean nuevos retos al sistema de salud pública. En este contexto, las redes de sensores inalámbricas corporales (Wireless Body Area Networks (WBAN)/Wireless Body Sensor Networks (WBSN)) tienen gran potencial para revolucionar el sistema de salud ya que facilitan el seguimiento, la monitorización y el diagnóstico de pacientes en casa, mejorando así su calidad de vida y reduciendo los costes asociados la asistencia sanitaria. Las redes WBAN/WBSN están constituidas por nodos sensores que miden diferentes variables fisiológicas y cinéticas y disponen de interfaces inalámbricas de bajo coste para transmitir en tiempo real la información a dispositivos en otros niveles de la red. En este tipo de redes, la transmisión inalámbrica de datos es probablemente la tarea que presenta mayor consumo de energía, por lo que dicho consumo debe ser reducido para maximizar su vida útil. Adicionalmente, en escenarios WBAN/WBSN, el cuerpo humano juega un papel muy importante en la calidad de la comunicación. El cuerpo actúa como un canal de comunicación para la propagación de ondas electromagnéticas, por lo que el comportamiento de este tipo de canal representa un conjunto único de desafíos para la transferencia fiable de datos. Dada la naturaleza compleja de los canales corporales, el reto es mantener una buena calidad de los enlaces entre los nodos sensores mientras se extiende la vida de la batería. Diferentes trabajos experimentales han evidenciado que el uso de una potencia de transmisión fija puede ser inadecuada ya que la transmisión de datos a alta potencia aunque garantiza una comunicación fiable, puede dar lugar a un gasto de energía innecesario. Por otro lado, la transmisión a baja potencia aunque proporciona ahorro de energía, puede reducir la fiabilidad e incrementar las retransmisiones. En consecuencia, el estudio de políticas de transmisión ha cobrado importancia como estrategia de ahorro de energía, ya que las técnicas de control de potencia de transmisión permiten seleccionar el nivel de potencia mínimo suficiente para lograr un buen rendimiento dentro de un sistema de comunicación y adicionalmente, reducir los problemas de interferencia. En esta tesis doctoral se lleva a cabo una extensa caracterización experimental del canal corporal bajo diferentes escenarios, tales como cerca de tejido biológico y sobre el cuerpo humano, a partir de la cual se logra establecer que la calidad de los enlaces en una red corporal superficial son altamente dependientes de la postura, el movimiento, las características físicas del cuerpo humano y el medio ambiente local. Por otra parte, en este trabajo se proponen y describen dos políticas para el control de la potencia de transmisión que proporcionan beneficios similares en términos de ahorro de energía. Ambas políticas, reactiva y proactiva, toman ventaja del hecho de que típicamente los nodos sensores están equipados con acelerómetros, para sintonizar la potencia de transmisión de acuerdo con el estado actual de la conexión que es cambiante por el movimiento del cuerpo, de tal manera que permite reducir el consumo de energía del chip radio a un mínimo mientras se mantiene la calidad del servicio. Finalmente, en este trabajo, se ha realizado una extensa validación de las políticas de control de potencia de transmisión propuestas mediante el uso del entorno de simulación Castalia, cuyo modelo de canal inalámbrico ha sido mejorado a partir de las medidas obtenidas experimentalmente, lo cual ha permitido asegurar que el comportamiento obtenido desde el simulador sea más aproximado a la realidad.