Studio dell’ambiente Tossim per la simulazione di reti radio distribuite e applicazione a protocolli MAC integrati con Localizzazione

Capitolo 1
Le reti di sensori wireless
Questo capitolo cerchera di illustrare brevemente le caratteristiche di base
di una rete di sensori e le sue piu comuni applicazioni, mettendo in evidenza
le qualita e le potenzialita di questa giovane tecnologia. I sensori sono sistemi
che permettono funzioni computazionali e di acquisizione dati all'interno di
una piccola unita economica e di bassa potenza.
Ogni nodo di una rete presenta un sistema integrato di comunicazione che
all'interno della rete stessa puo assumere varie forme: wired, radio a corto
raggio, ottica etc. Essi interagiscono con i vari campi e le forze esterne per la
rivelazione di luminosita, calore, movimento, agenti chimici ed altro ancora.
1.1 Caratteristiche di una rete
Una rete di sensori per essere considerata eciente deve presentare de-
terminati aspetti:
 Adabilita: capacita di funzionare anche in presenza di guasti (distri-
buzione poissoniana di tale valore);
 Scalabilita: capacita di funzionare con le stesse caratteristiche anche
con l'aumentare del numero di sensori;
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Le reti di sensori wireless
 Economicita: il costo di un sensore deve essere tale che un'intera rete
di sensori sia piu conveniente di una rete tradizionale.
I protocolli di routing devono essere molto particolari perche devono soste-
nere e supportare frequenti cambiamenti del numero dei sensori e della loro
tecnologia. La scelta del mezzo trasmissivo e imposta dal tipo di applicazione
e dal contesto in cui e inserita la rete. In una rete di sensori e fondamentale
un compromesso tra consumo di energia, prestazioni e fedelta alle operazioni
svolte.
Oggi le reti di sensori possono essere costruite usando componenti com-
merciali dell'ordine di un pollice quadrato e nell'ordine di potenza delle fra-
zioni di un watt. Si usano uno o piu microcontrollori connessi a piu sensori,
seguendo protocolli I2C, SPI o altri, e piccoli chip di trasmissione. Per da-
re un'idea delle notevoli potenzialita di un sistema del genere, si puo dire
che e possibile costruire in poco piu di cinquanta centimetri quadrati, uti-
lizzando una potenza di 5-10 watt, un dispositivo equivalente, in termini di
processazione e immagazzinamento dati, ad un pc degli anni ottanta. Mol-
ti ricercatori stanno studiando la possibilita di portare una rete di sensori
in ordini di grandezze microscopiche cos da poter realizzare un ricco set di
sensori utilizzabili sullo stesso chip CMOS con un costo estremamente basso.
Tali reti di sensori potranno essere integrate in un ambiente sico e potranno,
forse, perno prendere energia da esso.
Proprio il basso costo e il limitato uso di potenza sono le carte vincenti
di questi sistemi. Ad esempio, apparecchi per certi tipi di sensori industriali
o medici, alimentati da piccole batterie a bottone dovrebbero durare me-
si se non anni, oppure per apparecchiature di monitoraggio ambientale o
militare sarebbe notevolmente complesso e poco pratico eettuare frequenti
sostituzioni di batterie.
D'altra parte l'abbattimento dei costi e dato dalla capacita di una rete di
essere auto-congurante e di mantenersi in vita in modo autonomo (da qui il
termine ad-hoc che la caratterizza). I nodi hanno la capacita di individuare
i loro vicini e di scambiarsi informazioni per organizzare una struttura di
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Le reti di sensori wireless
comunicazione eciente senza l'intervento dell'uomo.
Original IBM PC (1981) MICAZ Mote (2005)
4.77 MHz 4 MHz
16 - 256 KB RAM 128 KB RAM
160 KB Floppies 512 KB Flash
$6K (to day) $35
64 W 14 mW
25 lb, 19.5 x 5.5 x 16 inch 0.5 oz, 2.25 x 1.25 x 0.25 inch
Tabella 1.1: confronto tra un PC degli anni ottanta e
l'ultima evoluzione dei sensori MICA
1.2 Comunicazione tra i nodi, lo standard
adottato
Lo standard di comunicazione adottato in una rete di sensori wireless na-
sce come evoluzione dei protocolli identicati dalla sigla 802.11 e realizzati
dalla IEEE (The Institute of Electronic and Elettric Engineering) per la codi-
ca delle comunicazioni nelle Wireless Local Area Network (WLAN). Il primo
standard IEEE 802.11 e stato adottato nel 1997. Prevedeva tre speciche di
strato sico, 2 Mbps frequency hopping spread e 1-2 Mbps direct sequenze
spread spectrum (DSSS) nella fascia ISM. Due anni dopo lo standard origina-
le si e evoluto lungo due percorsi: la codica 802.11b ha aumentato i 
ussi di
dati oltre il limite critico di 10 Mbps ed ha compreso uno schema di codica
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Le reti di sensori wireless
piu eciente, conosciuto come Complementary Code Keying (CCK) per rag-
giungere gli 11 Mbps. Il secondo ramo di 802.11 e stato indicato con 802.11a:
si e sviluppato in una fascia di frequenza dierente ed e stato concepito per
realizzare 
ussi di dati no ad un massimo di 54 Mbps. A livello sico (PHY)
lo standard fornisce due metodi di utilizzo di frequenze radio, DSSS (Direct
Sequenze Spread Spectrum), FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
e un metodo basato sull'infrarosso (DFIR), mentre a livello MAC lo stan-
dard usa una variante di ethernet CSNA/CD (CSNA/Collision Detection),
denita come CSMA/CA (CSMA/Collision Avoidance). La banda utiliz-
zata e quella a 2.4GHz, identicata come banda ISM (Industrial, Scientic
and Medical). La maggior parte delle Wireless LAN opera con lo standard
802.11b.
Da poco tempo lo stesso gruppo IEEE 802 ha arontato un notevole sforzo
per realizzare degli standard per reti a basso rate, economiche e di basso
consumo, che ha portato ad un nuovo standard, l'IEEE 802.15.4, utilizzato
dalle sempre piu diuse WPAN (Wireless Personal Area Network), in cui le
nostre reti di sensori possono a buon diritto essere inserite. L'ultimo passo
di questo continuo sviluppo e costituito dallo standard ZigBee, su cui Paul
Allen, co-fondatore di Microsoft, ha investito ben 25 milioni di dollari.
La specica ZigBee e una combinazione di HomeRF, uno standard wire-
less non piu supportato, e della specica 802.15.4. Opera ad una frequenza
di 2.4 GHz, la stessa della 802.11b, e in grado di connettere 255 dispositivi
per rete. La specica supporta velocita di trasmissione dei dati no a 250
Kbps su un raggio massimo di trenta metri. La tecnologia ZigBee e piu lenta
della specica 802.11b ma ha un consumo di potenza molto inferiore.
1.3 Applicazioni per reti di sensori
La possibilita di avere da un sensore una vasta serie di rilevazioni, ne
ha permesso, in poco tempo, l'impiego in un ampio campo di applicazioni:
militari, domestiche, commerciali, ambientali.
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Le reti di sensori wireless
1.3.1 Applicazioni ambientali
Una delle applicazioni piu utili e sicuramente quella del monitoraggio me-
teorologico nel settore agrario. I nodi possono essere equipaggiati con una
grande quantita di sensori chimici e biologici e sono in grado di monitora-
re ambienti di particolare interesse agricolo, oltre che di fornire una grande
quantita di dati sui piu vari aspetti meteorologici, dall'umidita, alla tem-
peratura, alla quantita di pioggia caduta. Da questi dati sara poi possibile
elaborare modelli di eventi distruttivi (inondazioni, uragani etc) o anche sta-
bilire le caratteristiche ambientali ottimali per determinate colture. E inoltre
possibile usare sensori per controllare il grado di erosione del terreno o il livel-
lo di pesticidi nell'acqua, piuttosto che il livello di inquinamento atmosferico.
Dei microsensori integrati sono anche in grado di registrare parti per trilio-
ne di particolari agenti contaminanti. Questi sensori microelettromeccanici
(MEMS), integrati con un trasmettitore wireless in un unico chip CMOS,
forniscono una soluzione a basso costo per il monitoraggio di agenti chimici
e biologici.
Figura 1.1: utilizzo di sensori nello studio della conforma-
zione di terreni e nella rilevazione di sostanze
chimiche
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Le reti di sensori wireless
1.3.2 Applicazioni militari
Il basso costo e la notevole versatilita di una rete di sensori permette uti-
lizzi molteplici nel campo militare. Semplici esempi possono essere costituiti
dal monitoraggio del campo di battaglia, dalla sorveglianza delle proprie
risorse in termini di equipaggiamenti e munizioni, dalla sorveglianza degli
spostamenti dei mezzi nemici, dalle informazioni sul campo di battaglia.
Figura 1.2: applicazioni militari
1.3.3 Applicazioni commerciali
L'uso di sistemi di sensori wireless ha trovato negli ultimi anni un'ampia
diusione in molti settori, che interessano la nostra vita di tutti i giorni. A
titolo di esempio puo essere preso il settore automobilistico; dai primi utilizzi
come supporto ai sistemi di antifurto satellitare, si e passati nel volgere di
poco tempo ad una 'fase 2' del wireless veicolare. Gli analisti concordano nel
vedere un parallelo tra lo sviluppo dell'applicazione dell'elettronica alle au-
tomobili, 'vecchia' di trent'anni, e quella del wireless. Anche nell'elettronica
si e passati da soluzioni puntuali, a partire dalle centraline di controllo del-
l'iniezione di carburante, all'integrazione, oggi sempre piu diusa, di vere e
proprie reti di bordo che collegano sensori, attuatori, controller, ognuno visto
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Le reti di sensori wireless
come un nodo intelligente. Lo sviluppo del wireless segue lo stesso percorso,
Figura 1.3: la rivoluzione wireless nell'automobile
questa volta fornendo alla rete di bordo uno o piu sbocchi di comunicazione
con l'esterno e l'interno del veicolo, e trasformandolo in un unico nodo della
rete globale. Questo passaggio concettuale spingera il mercato a un vero e
proprio balzo dimensionale. In base alle dichiarazioni di intenti delle maggiori
case automobilistiche, gli analisti prevedono cos che tra cinque anni saranno
decine di milioni le automobili dotate di serie di collegamenti wireless.
Alcuni esempi signicativi in merito possono essere il sistema bConnect,
sviluppato da Fiat per il monitoraggio istantaneo del traco e i sensori di
parcheggio, presenti ormai nelle dotazioni di serie di molti modelli.
Nel primo caso abbiamo una serie di sensori installati sulle auto di un
campione di 'grandi viaggiatori' che comunicano via radio con una centrale
operativa, fornendo importanti informazioni sulla situazione del traco sulle
principali arterie nazionali. Quando la velocita scende al di sotto dei livelli
stabiliti, il sensore invia un SMS anonimo alla centrale operativa di bCON-
NECT, informandola della presenza di rallentamenti, congestioni o code nel
tratto interessato. La centrale rielabora statisticamente l'informazione rice-
vuta insieme alle altre centinaia di dati e fornisce gli aggiornamenti sulla
velocita media di percorrenza, sulla lunghezza delle code e sui ritardi ac-
cumulati, consentendo all'automobilista di valutare tempestivamente il com-
portamento da adottare. Inoltre, fornisce suggerimenti di percorsi alternativi
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Le reti di sensori wireless
Figura 1.4: come opera un sensore di parcheggio
e previsioni circa l'andamento del traco. Queste informazioni saranno poi a
disposizione di tutti gli automobilisti in possesso di un sistema Connect nella
loro auto e non solo, vista la convenzione fatta con alcune emittenti radiofo-
niche nazionali.Il secondo esempio rappresenta piu propriamente un sistema
integrato nel veicolo. Consideriamo il sensore ParkMaster della Cupra: e un
sistema elettronico innovativo di rilevazione di ostacoli, visibili e non, nelle
manovre a bassa velocita, come quelle nell'area di parcheggio. Come fun-
ziona: all'inserimento della retromarcia il sistema rivela automaticamente la
presenza di ostacoli e un segnale acustico informa il conducente. Il segnale
e dierenziato in base alla distanza dell'ostacolo. ParkMaster e un sistema
intelligente che emette un beep singolo nella Green zone quando l'ostacolo
e a 200 cm di distanza e solo quando il veicolo e in movimento. Nella Yellow
zone, quando l'ostacolo e a 150 cm e il veicolo e fermo o in movimento, il
sistema emette un beep ripetuto. Il beep diventa continuo nella Red zone
di massima allerta e a 30 cm dall'ostacolo.
Figura 1.5: esempi di sensori di parcheggio
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Le reti di sensori wireless
1.4 Topologia di rete
La congurazione che meglio si adatta ad una wireless sensor network e
quella a stella con una entita speciale, detta sink, che funge da nodo gateway.
Gli utenti specicano al sink le informazioni che vogliono ricevere dalla rete e
questo genera un'interrogazione che viene instradata verso tutti i nodi slave.
A causa della limitata potenza trasmissiva di ciascun nodo, potrebbe
succedere che i componenti piu lontani della rete non siano in grado di co-
municare direttamente con il sink. Per questo una rete di sensori non deve
essere pensata come una collezione di oggetti modellata come un database
distribuito, in cui tutti i nodi sono passivi, ma come un insieme distribui-
to di nodi, ognuno con speciche capacita, in grado di comunicare tra loro.
Questo e un esempio di rete multi-hop; lo scambio di informazioni tra sink
e un qualsiasi nodo secondario puo avvenire sia in modo diretto, sia ser-
vendosi dell'appoggio di nodi intermedi. Il tutto, chiaramente, deve essere
gestito dall'algoritmo di routing in grado di garantire un consumo energetico
accettabile
1.5 Sicurezza
Un sempre piu ampio utilizzo di sensori wireless deve essere legato a
sempre piu elevate garanzie di sicurezza. E importante, quindi, quanto e
sicura una rete, ma anche quanto viene percepita sicura dagli utenti.
Il principio da cui partire e che un eventuale intruso non deve essere
in grado di alterare l'integrita dei dati scambiati. Questo si puo ottenere
aggiungendo al messaggio trasmesso un Message Integrity Code (MIC). Il
destinatario e il mittente condividono una chiave che e usata dal mittente
per generare il MIC e dal ricevente per confermare l'integrita del messaggio
e l'identita di chi lo ha inviato.
Nel perseguire questo risultato si incontrano tre grandi dicolta:
 La lunghezza del MIC: di norma questa e di 16 Byte (128 bit) e puo ri-
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Le reti di sensori wireless
sultare particolarmente pesante per trasmissioni a bassi data rate quali
quelle che normalmente caratterizzano le reti di sensori in esame.
 Si ha a che fare con strutture hardware poco costose, che devono ga-
rantire basso consumo energetico e che quindi hanno bassa capacita di
processazione.
 La distribuzione delle chiavi. Sono disponibili diverse modalita, tutte
con i loro vantaggi e svantaggi, stara poi al progettista stabilire quella
piu appropriata, in base al tipo di rete con cui ha a che fare e alla sua
applicazione.
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