Contribuciones al ahorro de energía en dispositivos IoT IEEE 802.15.4 con RPL y potencia de transmisión ajustable

Abstract

En esta tesis se aborda el problema de disminuir el consumo total de energía en una red inalámbrica de dispositivos IoT sin perjuicio de la calidad del servicio. Se asume que los dispositivos IoT utilizan un enlace radio IEEE 802.15.4 que ofrece varios niveles de potencia de transmisión, y que usan el protocolo de encaminamiento RPL para formar la red. La solución propuesta resuelve simultáneamente el problema de encaminamiento en la red y la selección óptima de la potencia de transmisión en cada nodo, haciendo que los mensajes lleguen a su destino minimizando el gasto energético posible y manteniendo la calidad del servicio de red. Para ello, se emplea en cada nodo un enfoque de capa cruzada que utiliza información intercambiada por los protocolos de nivel de red (encaminamiento RPL), de acceso al medio y de nivel físico. Cabe señalar la interdependencia entre la potencia de transmisión y el alcance y la calidad en los enlaces radio, y por lo tanto, entre el camino óptimo en la red y la potencia de transmisión en cada nodo. Por ello, es conveniente la selección conjunta de ambos parámetros de operación. Dada la complejidad del problema, y las limitaciones de recursos existentes en los nodos IoT, se ha propuesto un algoritmo de bajo consumo de recursos computacionales implementado sobre el protocolo de encaminamiento RPL para la selección óptima de ambos parámetros. A fin de reducir el consumo energético ligado al plano de control de RPL, esta tesis también propone un nuevo mecanismo alternativo de sondeo de alcanzabilidad de los vecinos, que permite mantener frescas las estadísticas de comunicaciones de la capa de enlace, pero restringiendo el número de mensajes de control. La solución propuesta se ha implementado y validado en dispositivos IoT con el sistema operativo Contiki (motas Z1), con hasta 5 niveles de potencia de transmisión, usando el simulador Cooja y realizando simulaciones con 15 dispositivos distribuidos en áreas de diferentes tamaños: desde 10m × 10m (7m2/dispositivo), hasta 100m × 100m (667m2/dispositivo). Los resultados muestran que se consigue un ahorro significativo comparándolo con la transmisión a un nivel de potencia máximo (RPL estándar) o con la transmisión a dos niveles de potencia (RPL binario), logrando una reducción de hasta un 20% en la transmisión y un 34% en la recepción.