Design of a medium-access-control protocol for wireless sensor networks considering the battery state of charge and state of health

Abstract

La disponibilidad de energía es una de las limitaciones que presentan las Redes de Sensores Inalámbricas (WSN, Wireless Sensor Network). Tradicionalmente, las baterías han sido utilizadas para proveer energía a los nodos de sensores y al tener una vida útil limitada afectan el tiempo de vida de la red. Soluciones como el uso de baterías de gran tamaño o el reemplazo de ellas no son viables, debido al gran número de sensores que componen la red y a que pueden ser desplegados en zonas de difícil acceso. Esta situación ha motivado que las soluciones para la conservación de la energía en las WSNs se enfoquen en el desarrollo de técnicas que actúen a nivel de las capas física y de enlace de datos, como es el caso de los protocolos de Control de Acceso al Medio (MAC, Medium Access Control). Los protocolos MAC son una de las soluciones ampliamente estudiadas y utilizadas porque permiten un equilibrio entre la conservación de energía y otros parámetros críticos de la red, como el rendimiento, latencia, reducción de colisiones y mensajes de control. También tienen la facilidad de adaptarse a las nuevas aristas de trabajo que surgen al incorporar nuevas tecnologías como lo son los Dispositivos de Recolección de Energía (EHD, Energy Harvesting Device). Otro aspecto que está siendo considerado y estudiado en el diseño de los protocolos MAC es la información que se puede extraer de la batería, ya que al estimar la capacidad disponible de la misma, el mecanismo del Duty Cycling (DuC) puede ser ajustado con el propósito de aumentar la eficiencia energética y por lo tanto, extender la vida útil de la red. Es necesario desarrollar técnicas que incorporen un mecanismo de conservación de energía que integre información de la batería a través de indicadores como el Estado de Carga (SOC, State of Charge) y Estado de Salud (SOH, State of Health) para mejorar la eficiencia energética en WSN. La idea de incorporar información de la batería se debe a que la capa MAC está a cargo de controlar los modos de operación del nodo sensor, lo que está directamente relacionado con la cantidad de corriente exigida a la batería. Conocidos los perfiles de uso de la batería es posible estimar los indicadores SOC y SOH que se han utilizado ampliamente en diversas aplicaciones para conocer la cantidad de energía disponible en la batería y la degradación que ha sufrido la misma. En este trabajo se propuso el desarrollo de un protocolo que actúa en la subcapa MAC y que considera la información de la batería para tomar decisiones con respecto al tiempo activo y de reposo del nodo de sensor, con la finalidad de promover el uso eficiente de la energía y extender la vida útil de la red. Los resultados obtenidos validan esta nueva propuesta de algoritmo y establecer pautas para guiar el diseño de protocolos MAC que se centren en minimizar el consumo de energía teniendo en cuenta los dispositivos de recolección de energía y la información de la batería.