SUPPLEMENTO AL NUMERO 254 MARZO 2008 DI

I quaderni di

Il mondo gestito da una rete di sensori invisibiliUna rete di sensori senza fili (Wireless Sensor Network WSN) è l’argomento di questo nume-

ro, ne parliamo perché queste reti invisibili sono determinanti in situazioni critiche come terre-

moti, malattie, guerre, e non solo. Nel quotidiano servono a risparmiare energia o controllare

impianti piccoli e grandi.“The most profound technologies are those that disappear”: con que-

sta frase Mark Weiser inizia il suo celebre articolo del settembre 1991 intitolato “The Compu-

ter for the 21st Century”. In questo lavoro Weiser immagina ambienti pervasi da un alto nume-

ro di dispositivi tecnologici in grado di influenzare e migliorare tutti gli aspetti della nostra vita

risultando però invisibili ai nostri occhi.

I progressi tecnologici continui hanno condotto ad un’abbondante disponibilità di microproces-

sori e microcontrollori sempre più piccoli ed economici, equipaggiati con sensori sempre più

avanzati, e soprattutto dotati di connessione senza fili.

Queste reti sono impiegate nella domotica (scienza che si occupa delle applicazioni dell’informa-

tica e dell’elettronica all’abitazione) possono cioè gestire impianti di illuminazione, riscaldamento,

e refrigerazione, rilevare un evento non usuale come l’intrusione di un estraneo. Indispensabili

nella gestione dei disastri come i terremoti, infatti i sensori gettati da un elicottero, che sorvoli il

luogo, possono aiutare ad individuare i sopravvissuti ed identificare le aree di rischio per i soccor-

ritori. Nel campo dell’ingegneria civile, le WNS consentono il monitoraggio di strutture (edifici,

ponti e viadotti) e ne autodiagnosticano eventuali cedimenti strutturali. In campo militare posso-

no essere utilizzate per la rilevazione di intrusione del nemico nel territorio, per il rilevare attac-

chi chimici, biologici e nucleari, per la sorveglianza di luoghi “sensibili” come i confini territoriali.

In campo medico è possibile utilizzare le WNS sia nella medicina di routine (come seguire la

riabilitazione di un paziente colpito da ictus o, a domicilio, monitorare lo stato di salute di un pa-

ziente cronico) che in quella di emergenza nel caso di un pronto soccorso.

I n d i c e II

S O N O U S C I T I N E L 2 0 0 7 / 2 0 0 8 :

La domanda di comunicazione chiede di aggiornare Internet DICEMBRE 2006/GENNAIO

Modelli di business per le tv locali FEBBRAIO

Cresce la multimodalità nella comunicazione MARZO

Con la nomadicitá cambiano le abitudini APRILE

Nuovi servizi richiedono una Banda Larga sempre più ampia MAGGIO

La logistica apre le porte a nuovi business GIUGNO

Verso le reti di nuova generazione: il ruolo di Ethernet LUGLIO/AGOSTO

Nuovi servizi a larga banda su Internet SETTEMBRE

Segno di riconoscimento: la voce OTTOBRE

Elettromagnetismo tra scienza e comunicazione NOVEMBRE

L’importanza dello spettro radio per un mondo senza fili DICEMBRE 2007/GENNAIO

Società dell’informazione e contenuti digitali: tutela dei diritti in un mondo che cambia FEBBRAIO

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48 I quaderni di

L’importanza delle reti di sensori senza fili in guerra, in casa, in ospedale…

Protocolli nelle Wireless Sensor Network

Le tecnologie di comunicazione radio nelle reti di sensori

Wireless Sensor Network per applicazioni mobili

Lo sviluppo di soluzioni basate su Wireless Sensor Network:un approccio teorico/sperimentale

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Il quaderno di Telèma è stato realizzato dalla Fondazione Ugo Bordoni (Presidente il Prof. Maurizio Dècina, Direttore Generale il Prof. Antonio Sassano,Direttore delle Ricerche l’Ing. Mario Frullone). Coordinatore del Quaderno Daniela D’Aloisi.

Hanno collaborato: Teodoro Ambrogio, Massimo Celidonio, Giuseppe Fierro, Susanna Ragazzini, Fondazione Ugo Bordoni; Roberto Bisiani, Davide Merico, Laboratorio NOMADIS, Università di Milano-Bicocca;Andrea Vitaletti, Dipartimento di Informatica e Sistemistica, Università di Roma La Sapienza

Una rete di sensori wireless (Wireless SensorNetwork,WSN) è una rete senza fili formata

da nodi spazialmente distribuiti costituiti da senso-ri e/o attuatori che lavorano in modo cooperativoper scopi di monitoraggio, controllo e gestione.

Le reti di sensori wireless devono il loro succes-so ai progressi tecnologici in varie aree che hannoportato allo sviluppo di elementi di piccole dimen-sioni, a basso costo, bassa potenza, multifunzionalie in grado di comunicare a brevi distanze in modonon vincolato.

I nodi sensori combinano capacità di comunica-zione wireless, di computazione minima e di rileva-zione di valori dall’ambiente circostante: insiemeformano delle reti che possono essere immerse inambienti fisici con delle caratteristiche che le ren-dono applicabili in molti campi e situazioni.Le applicazioni sono molteplici e possono esserecatalogate secondo diversi criteri. Da un punto divista temporale le applicazioni possono essere:– periodiche, indirizzate alla raccolta di dati o alla

manutenzione di reti;– attivate da eventi, in cui una segnalazione o noti-

ficazione scatena un’attività;– a lungo termine,nei casi in cui è necessaria un’attivi-

tà continua con attenzione ai problemi energetici.Virtualmente, qualsiasi tipo di grandezza fisica (tem-peratura, voltaggio, pressione, gas, ecc.) può essereacquisita tramite una rete di sensori. Nel caso chesiano presenti anche nodi attuatori è possibile an-che influenzare o controllare l’ambiente.Originariamente, le reti di sensori wireless sono nateper applicazioni militari ma sono poi state usate in va-ri campi,dalla domotica alle applicazioni industriali al-le reti di monitoraggio. I principali campi di uso sono:– applicazioni civili: avvistamento d’incendi, monito-

raggio della temperatura e della ventilazione inedifici, monitoraggio dell’ambiente, casa intelligen-te e domotica, biosensoristica, disaster recovery;

– applicazioni in campo sanitario:monitoraggio e con-

trollo di anziani e malati, controllo remoto di da-ti fisiologici, tracking di pazienti e medici all’inter-no di ospedali, somministrazione di medicinali;

– applicazioni militari: sorveglianza, rilevazione ditarget, monitoraggio delle forze sul campo, rile-vazione di attacchi chimici, biologici e nucleari;

– applicazioni commerciali: rilevazione delle intru-sioni, monitoraggio e controllo del traffico, con-trollo di inventari, precision farming.

Le WSN condividono molte problematiche con al-tri tipi di reti, in particolare le reti ad hoc,ma ci sonosostanziali differenze che le rendono così specifiche:J le WSN sono specifiche rispetto agli scenari appli-

cativi:dato l’elevato numero di applicazioni possibi-li, è difficile pensare ad una soluzione unica che va-da bene sempre. Le WSN possono avere differentitipi di configurazioni, un numero variabile di nodi,differenti densità e richiedono protocolli adattivi.

J Le WSN interagiscono con l’ambiente, a differen-za di altre reti che hanno utenti diretti.

J Le WSN sono scababili, necessità che deriva dal-l’elevato numero di nodi che potrebbe esserepresente nella rete (fino a centinaia di migliaia).

J Le WSN hanno un limitato, a volte limitatissimo,consumo di energia. Spesso i nodi si trovano nel-la situazione di non potere essere ricaricati, equindi il parametro energetico è cruciale nella lo-ro progettazione.

J Le WSN sono auto-configurabili: esigenze ener-getiche, di traffico, di possibili guasti, ecc., richie-dono che in queste reti sia sempre possibile ave-re dei percorsi alternativi. Questo comporta ca-pacità adattive e conoscenza diffusa sullo stato eposizione dei nodi.

Questo numero è composto da alcuni articoli cheda un lato rappresentano una guida alla conoscen-za delle WSN, dall’altro presentano alcuni scenariapplicativi a livello di ricerca universitaria.

Daniela D’Aloisi Fondazione Ugo Bordoni

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L’importanza delle reti di sensori senza fili in guerra, in casa, in ospedale…

50 I quaderni di

Una Wireless Sensor Network (WSN) è unarete di piccoli nodi (o motes) capaci di ospi-

tare sensori con capacità di comunicazione wi-reless, di eseguire delle elaborazioni sullo stes-so nodo e di comunicare attraverso protocollidi rete ad-hoc.

Sono molti gli aspetti tecnologici e di ricercache le WSN implicano, e particolarmente impor-tanti sono gli aspetti software che riguardano siail sistema operativo, il middleware, i protocolli avari livelli, il software di rete e di gestione.

La ricerca si è concentrata su nuovi protocol-li progettati proprio per le reti di sensori wire-less in cui sono tenuti in considerazione i loropunti critici, come la conservazione dell’energia.La maggior attenzione è stata posta sui proto-colli di routing che sono nettamente differentida quelli tradizionali.

Anche per le reti di sensori è definito uno stackdi protocolli. Il livello più basso è quello fisico, e fariferimento al canale di comunicazione, alla partesensoristica e di trattamento dei segnali.A livelloimmediatamente superiore, è posto il livello datalink - relativo al protocollo MAC - seguito dal li-vello di rete. Sopra di questo, il livello di traspor-to su cui poggia il livello delle applicazioni.

In questo articolo esaminiamo brevemente al-cuni dei protocolli che operano ai vari livelli.

PROTOCOLLI MAC Le straordinarie potenzialità delle reti di sen-sori senza fili sono dovute non tanto ad eleva-te capacità elaborative locali dei singoli nodi,che sono invece relativamente modeste, quan-to alla possibilità che hanno i nodi, nel lorocomplesso, di coordinarsi fra loro e quindi diauto-organizzarsi.Perché tale coordinamento sia possibile è neces-sario che fra i nodi venga attivato un efficace si-stema di comunicazione. D’altro canto una retewireless, per propria natura, è esente da un col-legamento fisico del tipo punto-punto fra nodicontigui ed essi, essendo praticamente tutti con-

nessi fra loro, sono costretti a condividere un uni-co canale.

Tale vincolo impone l’implementazione di unopportuno protocollo di tipo MAC (Medium Ac-cess Control) che regoli l’accesso dei vari nodialle informazioni di proprio interesse.

Facendo riferimento al modello ISO-OSI ilMAC rappresenta il sottolivello inferiore del li-vello Data Link e comunica col livello fisico assu-mendosi il compito di sintetizzare (in trasmissio-ne) e di analizzare (in ricezione) pacchetti in cuisiano stati inseriti, in testa e in coda, opportunidati aggiuntivi relativi all’indirizzamento ed al con-trollo degli errori.

La scelta di un metodo MAC è determinante perle prestazioni di una rete WSN. Ci sono moltimetodi classici per risolvere il problema dell’ac-cesso, classificabili in tre maggiori categorie:1. assegnazione fissa delle risorse del canale, di cuifanno parte le tecniche di accesso multiplo a di-visione di frequenza (FDMA), di accesso multiploa ripartizione nel tempo (TDMA) e di accessomultiplo a divisione di codice (CDMA);2. assegnazione a richiesta delle risorse del canale,come ad esempio il polling e la prenotazione.3. assegnazione random delle risorse del canale, dicui fanno parte lo schema ALOHA e la tecnicadi accesso multiplo con rilevamento della por-tante (CSMA).

Tra i requisiti di cui bisogna tradizionalmente te-ner conto quando si progetta un protocollo MAC(come l’entità dei ritardi, il throughput, la robu-stezza, la scalabilità, ecc.) ve ne sono alcuni chenel caso specifico delle reti di sensori senza filirivestono un’importanza particolare.L’efficienza energetica del protocollo diventa unparametro di primaria importanza e costringe ilprogettista alla ricerca di opportuni compromes-si tra questo parametro ed altri requisiti più tipi-camente trasmissivi.I principali fattori che possono determinare un ec-cessivo consumo di energia sono nell’ordine la fre-

Protocolli nelle Wireless Sensor Network

IL MONDO GESTITO DA UNA RETE DI SENSORI INVISIBILI

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quenza delle collisioni, l’ascolto inattivo, la frequenza dioverhearing e l’eccesso di pacchetti di controllo.

Un altro parametro che non va trascurato, per-ché può avere un notevole impatto sul consumoenergetico, è la troppo frequente commutazionefra diverse modalità di funzionamento.La maggior parte dei protocolli MAC che tengo-no conto delle suddette specifiche possono esse-re classificati in due principali categorie:– schedule-based. La maggior parte dei protocol-

li appartenenti a questa categoria sono delleopportune varianti del sistema TDMA in cuigli slot temporali vengono organizzati in tra-me (logical frames). Solo un sottoinsieme de-gli intervalli temporali della trama è assegna-to a ciascun nodo. Sia il numero di slot per fra-me che gli algoritmi di scheduling sono para-metri di progetto predeterminati. Il risparmioenergetico legato a questa tecnica è dovutoprincipalmente al fatto che ciascun nodo -quando non deve né trasmettere né ricevere- si pone in uno stato di inattività (sleep mo-de).Tipici protocolli appartenenti a questa ca-tegoria sono lo SMACS (Self-Organizing Me-dium Access Control for Sensornets), il Blue-tooth ed il LEACH (Low-Energy Adaptive Clu-stering Hierarchy).

– Content-based. Questi protocolli, conosciuti an-che come Random Access-Based Protocols, nonrichiedono alcun coordinamento fra i nodi checondividono il canale. La risoluzione dei con-flitti viene affidata a meccanismi di sincroniz-zazione del tipo RTS (Request-To-Send) e CTS(Clear-To-Send) che rendono il protocollo piùrobusto, ma non riducono in maniera signifi-cativa il dispendio di energia.Alcuni di essi co-me il PAMAS (Power Aware MultiAccess pro-tocol with Signaling) riescono a ridurre il con-sumo dovuto all’overhearing, ma non quellocausato dall’idle listening.Altri come lo STEM(Sparse Topology and Energy Management), uti-lizzando canali distinti per trasmettere dati esegnali di wake-up, riescono a ridurre notevol-mente i consumi energetici a patto però cheil sistema non richiede troppo frequenti com-mutazioni dei nodi fra lo stato dormiente equello di veglia. Appartengono a questa cate-goria anche i protocolli T-MAC (Timeout-MAC)e B-MAC (Berkeley-MAC).

PROTOCOLLI DI ROUTINGIl modo con cui i dati viaggiano tra la stazione ba-se e le locazioni dove i fenomeni sono osservaticostituisce un importante aspetto per queste re-ti. Nella maggior parte dei casi, i dati effettuanotanti salti (hop) attraverso i quali i pacchetti viag-giano con brevi raggi di comunicazione.

Compito principale di un algoritmo di routingè determinare il set di nodi intermedi allo scopodi trovare un cammino tra il nodo sorgente equello destinazione. In una WSN, è importantecontenere l’utilizzo della banda e il consumo dienergia, processi richiesti ai nodi mobili.Trovareuna strategia che bilanci questi fattori è un obiet-tivo primario.

Gli algoritmi di routing per le reti ad hoc posso-no essere classificati in base al modo in cui l’infor-mazione è acquisita e mantenuta e in base a cuiquesta è usata per trovare i cammini fra i nodi.

Generalmente ogni nodo annuncia la sua pre-senza nella rete ed ascolta la comunicazione tragli altri nodi, che diventano conosciuti. Col passa-re del tempo ogni nodo acquisisce la conoscen-za di tutti i nodi della rete e di uno o più modiper comunicare con loro.

Per tenere conto delle esigenze particolari del-le WSN, sono stati proposte diverse strategie dirouting.

Una prima classe di protocolli adotta una to-pologia di rete “piatta” (flat) nella quale tutti i sin-goli nodi sono considerati pari (peer). Un’archi-tettura piatta presenta diversi vantaggi, incluso unoverhead minimo per mantenere l’infrastrutturae la possibilità di trovare percorsi multipli tra inodi per prevenire i guasti (fault tolerance).

Una seconda classe impone una struttura di re-te che assicuri efficienza energetica, stabilità e sca-labilità. I nodi sono organizzati in clusters nei qua-li un nodo con certe caratteristiche - per esem-pio, la più alta energia residuale - assume il ruolodi cluster head e diventa il coordinatore delle at-tività all’interno del cluster e responsabile di faregirare le informazioni tra i cluster. Il clustering ri-duce notevolmente il consumo di energia edestende l’arco di vita di una rete.

Una terza classe di protocolli usa un approcciodata-centrico. I nodi sono caratterizzati da attri-buti (approccio detto attribute-based naming): unnodo sorgente effettua una query cercando un

PROTOCOLLI NELLE WIRELESS SENSOR NETWORK

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IL MONDO GESTITO DA UNA RETE DI SENSORI INVISIBILI

I quaderni di

attributo piuttosto che uno specifico nodo sen-sore, a cui sono assegnati dei task.

Una quarta classe è detta location-based, utile inapplicazioni in cui la copertura geografica dellerete è importante ed è rilevante sapere cosa ac-cade intorno ad un nodo specifico.

Sono stati studiati diversi algoritmi di routingspecifici per le WSN: flooding e sue varianti, Sen-sor Protocol for Information via Negotiation (SPIN),Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH)e geographical routing.

Il flooding è una tecnica comune usata frequen-temente per la ricerca di cammini e per la disse-minazione delle informazioni nelle reti ad hoc wi-reless e wired. Il flooding usa un approccio reatti-vo dove ogni nodo che riceve un pacchetto dicontrollo lo rinvia a tutti i suoi vicini. Il floodingpresenta l’inconveniente di generare un numeroenorme (teoricamente infinito) di pacchetti.

Si possono applicare delle tecniche per limita-re il traffico generato, come ad esempio quella delselective flooding in cui i pacchetti sono duplicatisolo sulle linee che vanno all’incirca nella giustadirezione.

Il gossiping è una variante del flooding: in questocaso, i nodi non usano il broadcasting ma invianoi pacchetti ad un solo nodo selezionato in modorandom tra i vicini.

Il Sensor Protocol for Information via Negotiation(SPIN) è un protocollo basato sulla dissemina diinformazioni che evita il flooding inviando meta-dati sul sensore, anziché i dati stessi. Poiché soloi nodi interessati rispondono e la dimensione deimetadati è inferiore a quella dei dati, risulta me-no oneroso del flooding. Un ricevitore che espri-me interesse nel dato può richiedere l’invio com-pleto del dato stesso.

Nella comunicazione vengono utilizzati tre tipidi messaggi:ADV, advertise data; REQ, request fordata; DATA, data message (contiene il valore veroe proprio fornito dal sensore).

È possibile introdurre anche vincoli sui consu-mi energetici (es. approccio euristico). Questa for-ma di negoziazione assicura che i dati vengano in-viati solo ai nodi interessati, eliminando il trafficoe riducendo significativamente la trasmissione ri-dondante dei dati nella rete. Inoltre, si riduce for-temente il consumo di energia.

L’algoritmo di tipo LEACH (Low-Energy AdaptiveClustering Hierarchy) è progettato per raccoglieredati e inviarli al nodo recettore (data sink), tipica-mente una stazione base. LEACH adotta una to-pologia in cui i nodi si auto-organizzano in clustered eleggono un nodo capo-cluster. Questi ultimicomunicano con i capo-cluster vicini costituendocosì una struttura gerarchica fino alla stazione ba-se. Il protocollo minimizza la dissipazione di ener-gia, in quanto il capo-cluster riceve ed aggrega idati dei nodi appartenenti al cluster prima di in-viarli alla stazione base. Dopo un certo periododi tempo la rete entra nuovamente in fase di se-tup e inizia nuovamente la fase di selezione deicapo-cluster.

L’obiettivo principale degli algoritmi geograficidi routing (geographical routing) è usare informa-zioni sulla locazione dei nodi per formulare un’ef-ficiente ricerca fino alla destinazione. Un algorit-mo di questo tipo è molto comodo nelle reti disensori perché minimizza il numero di trasmissio-ni attraverso la stazione base eliminando ridon-danza di dati trasmessi.

PROTOCOLLI DI TRASPORTOL’architettura dei computer e delle reti di comu-nicazione è strutturata in livelli (o layer) in cui ognilivello agisce come service provider del livello im-mediatamente superiore, che agisce come uten-te del servizio. Le interazioni tra livelli contigui av-vengono attraverso dei punti detti service accesspoint (SAP).Il livello di rete fornisce servizi di indirizzamentoe instradamento (routing) al livello superiore, il li-vello di trasporto, che a sua volta fornisce servi-zi di trasporto messaggi al livello superiore.Il livello di trasporto è responsabile anche della seg-mentazione dei dati provenienti dal livello superio-re: alla sorgente i messaggi sono trasformati in unacatena di segmenti e sono riassemblati nel messag-gio originale una volta arrivati a destinazione.I protocolli di trasporto più noti sono il transportcontrol protocol (TCP) e lo user datagram protocol(UDP), comunemente usati in Internet ma nonadatti per le WSN.Le ragioni sono molte: una delle principali è l’as-senza d’interazione tra TCP e UDP e i protocol-li dei livelli più bassi. Nelle WSN, tali livelli porta-

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no informazioni molto utili al livello di trasportoe al miglioramento delle prestazioni di sistema.

Le WSN sono progettate considerando alcuni fat-tori critici - quali conservazione dell’energia, con-trollo della congestione, affidabilità nel trasportodei dati, sicurezza e gestione - nella definizione diun protocollo di trasporto:1. il protocollo dovrebbe garantire il controllodella congestione e il trasporto dei dati in modoaffidabile. Le congestioni possono avere luogo nelnodo sink dove arriva la maggior parte dei datiche partono dai nodi sensori. Sebbene il proto-collo MAC possa recuperare pacchetti persi perbit error, non è però in grado di trattare perditedovute a buffer overflow. Le WSN necessiterebbe-ro di un meccanismo simile a quelli usati da TCP,come ad esempio ACK, tenendo però conto del-le diverse problematiche delle reti di sensori. In-fatti in certe applicazioni, i nodi potrebbero ave-re bisogno di ricevere pacchetti solo da alcuni no-

di in una certa area e non da ogni singolo nodoin quell’area. Inoltre, i due problemi potrebberoessere efficacemente risolti con un approccio hop-by-hop che potrebbe anche minimizzare la dimen-sione dei buffer nei nodi intermedi.2. Il protocollo dovrebbe garantire la semplifica-zione del processo di connessione iniziale oppu-re potrebbe essere del tipo connectionless (senzaconnessione, come UDP, in cui lo scambio di da-ti tra la sorgente e il/i destinatario/i non richiedel’operazione preliminare di creare tra di essi uncircuito, fisico o virtuale, su cui instradare l’inte-ro flusso di dati in modo predeterminato e ordi-nato nel tempo) per accelerare il processo, au-mentare il throughput e abbassare il ritardo di tra-smissione. La maggior parte delle applicazioni del-le WSN sono reattive, quindi i nodi monitoranoe aspettano un evento per inviare dati al sink: ipacchetti da inviare posso essere anche pochi.3. Il protocollo di trasporto dovrebbe evitareperdite di pacchetto quanto più possibile poiché

PROTOCOLLI NELLE WIRELESS SENSOR NETWORK

Attributes CODA ESRT RRMST PSPQ GARUDA

Direction Upstream Upstream Upstream Downstream Downstream

Congestion

Support Yes Passive No No No

Congestion detection

Buffer occupancychannel condition

Buffer occupancy

—— —— ——

Open- or close-loopcongestion control

Both No —— —— ——

ReliabilitySupport No Yes Yes Yes Yes

Packet or applicationreliability

—— Application Packet Packet Packet

Loss detection —— No Yes Yes Yes

End-to-end (E2E) orhop-by-hop (HBH)

—— E2E HbH HbH HbH

Cache —— No Option Yes Yes

In- or out-sequenceNACK

—— N/A In-sequence Out-of-sequence Out-of-sequence

ACK or NACK —— ACK NACK NACK NACK

Energy conversation Good Fair —— —— Yes

Tabella 1. Protocolli di trasporto.

54

le perdite si traducono in spreco di energia. Perevitare tali perdite, il protocollo dovrebbe usareun controllo di congestione attiva (Active Con-gestion Control,ACC): il controllo va attivato pri-ma che la congestione abbia effettivamente luo-go. Per esempio, il nodo che invia o un nodo in-termedio può ridurre la velocità quando la dimen-sione del buffer raggiunge una certa soglia.4. Il protocollo dovrebbe garantire un compor-tamento corretto per tutti i tipi di nodi sensori,riservando lo stesso trattamento a sensori condifferente distanza dal sink.5. Se possibile, il protocollo dovrebbe essereprogettato tenendo in mente criteri di ottimiz-zazione cross-layer per aumentare le prestazio-ni. Per esempio, se un algoritmo di instradamen-to informasse il protocollo di trasporto di unbuco nel percorso, il protocollo dovrebbe esse-re in grado di dedurre che il problema è causa-to dal percorso e non da una congestione. Inquesto caso, non sarebbe necessario cambiarela velocità di trasferimento.

Un protocollo di trasporto per le WSN dovreb-be tenere conto di tutti i fattori critici, mentre iprotocolli esistenti, tra cui quelli riportati in tabel-la 1 (tratta da K. Sohraby, D. Minoli,T. Znati. Wire-less Sensor Networks.Technology, Protocols, and Appli-cations. John Wiley &Sons, Inc., 2007), affrontano so-lo alcuni aspetti e spesso in una sola direzione (oupstream o downstream). Molte applicazioni, peresempio operazioni di sorveglianza, richiedono pro-tocolli che lavorino in entrambi i sensi.

Un altro problema con i protocolli esistenti èche controllano le congestioni o end-by-end ohop-by-hop. In CODA sono presenti entrambi icontrolli, ma sono usati simultaneamente piut-tosto che adattivamente.Un controllo adattivoche integri entrambi i meccanismi può esserepiù vantaggioso per reti di sensori wireless condiverse applicazioni e utile grazie alla conserva-zione dell’energia e alla semplificazione delle ope-razioni dei sensori.

I protocolli studiati finora sono affidabili o a li-vello di pacchetto o a livello di applicazione. Seuna rete di sensori supportasse due applicazioni,di cui una affidabile a livello di pacchetto e l’altraa livello di applicazione, i protocolli attuali avreb-bero difficoltà a trattarle. La soluzione sarebbe unmeccanismo di ripristino adattivo in grado di ga-

rantire affidabilità in entrambi i livelli e anche diassicurare efficienza energetica.

Nessuno dei protocolli esistenti assicura inol-tre ottimizzazione cross-layer.

GESTIONE DI RETEUna rete di comunicazione di computer general-mente consiste di tre componenti: device fisici -inclusi i link sia wireless che wired, nodi di rete(hub, bridge, switch, router), terminali e server -protocolli, dati e applicazioni.

I protocolli sono usati per trasportare infor-mazioni in modo efficiente, preferibilmente inmodo corretto, sicuro, affidabile e comprensibi-le. Sono insiemi di software residenti nei devicefisici. La collaborazione tra device fisici e proto-colli di rete costituisce un solido supporto perle applicazioni.

Tuttavia, i device e i protocolli non sono suffi-cienti per supportare in modo efficace le opera-zioni di una rete di comunicazione: sono anche ri-chiesti strumenti e tecniche di gestione della re-te (NM, Network Management) per i servizi e perassicurare la cooperazione delle varie entità.

Algoritmi di gestione della rete sono fondamen-tali in varie situazioni:– molti elementi ed entità software che formano

la rete che possono presentare dei guasti e deimalfunzionamenti. Una apposita funzionalità digestione deve essere in grado di determinarequando, dove e perché si manifesta il malfun-zionamento e come ripristinare lo stato cor-retto;

– l’ottimizzazione delle prestazioni di un sistemadistribuito richiede che la gestione della retecollabori al processo;

– per la maggior parte delle reti, le funzioni di NMpossono essere usate per raccogliere e analiz-zare il comportamento dell’interazione del-l’utente durante l’interfacciamento con la rete,fattore molto importante per pianificare l’evo-luzione a lungo termine della capacità di rete ele sue prestazioni.

Progettare degli algoritmi per la gestione di reteconsiste nel determinare un insieme di funzioni per:– monitorare lo stato della rete;– riconoscere errori e anomalie nella rete;

IL MONDO GESTITO DA UNA RETE DI SENSORI INVISIBILI

I quaderni di

55MARZO2008

– amministrare, controllare e configurare compo-nenti di rete;

– provvedere alle normali operazioni;– migliorare l’efficienza della rete e le prestazio-

ni delle applicazioni.

Per effettuare tutte queste operazioni, un NMnecessita di collezionare in tempo reale informa-zioni dagli elementi di rete, analizzarle e applica-re controlli basati su queste informazioni. Gene-ralmente c’è un agente in ogni elemento che rac-coglie i dati e riferisce ad un centro di gestioneche ha visione dell’intera rete di informazioni.

Tra i modelli tradizionali di Network Manage-ment possiamo annoverare SNMP (Simple Net-work Management Protocol) e TOM (Telecom Ope-ration Map).

SNMP è il protocollo più usato. Comprende trecomponenti: un sistema di gestione della rete (NMS,Network Management System), gli elementi da ge-stire (router, switch, server e host) e gli agenti. LoNMS è costituito da un insieme d’applicazioni chemonitora e/o controlla gli elementi da gestire, edin grado di espletare diversi compiti. Ciascun ele-mento è gestito da un agente. Lo SNMP è un pro-tocollo semplice e di larga applicazione, ma ha ilproblema di richiedere troppa banda.

TOM è basato su modelli di gestione servizi edi gestione di rete.TOM fornisce solo un frame-work per la gestione dei servizi strutturati in li-velli su due dimensioni.

Nessuno dei due è adatto a trattare con leWSN, anche se l’architettura a livelli di TOM e lasemplicità di SNMP sono caratteristiche da con-siderare nella progettazione di protocolli per lereti di sensori wireless.

Le WSN hanno generalmente una struttura adhoc e risorse limitate che influiscono sulla pro-gettazione dei protocolli di rete, del modello ap-plicativo e del sistema operativo.

La gestione di rete deve usare le risorse inmodo efficiente e efficace e gioca un ruolo piùcruciale che nelle reti tradizionali, perché mol-ta della conoscenza e informazione è “sparsa”su tutta la rete. Solo un algoritmo di gestione

può essere in grado di “raccogliere” tale infor-mazione per definire il comportamento dell’in-tera rete: il livello di varie risorse, l’area di co-pertura, l’organizzazione dei nodi e il livello dicooperazione tra i nodi.

Nonostante la criticità, il problema non è sta-to finora studiato con la dovuta attenzione e so-no state applicate le soluzioni già esistenti (SNMPe TOM) anche se con soluzioni insoddisfacenti.

Sono molte le caratteristiche rilevanti che unsistema di gestione rete dovrebbe possedere:– ridotto consumo energetico e ridotto uso di

banda considerando che le comunicazioni ri-chiedono molta energia;

– soluzioni scalabili, tenendo conto del fattoche i nodi di una rete possono essere da de-cine a migliaia;

– soluzioni semplici e pratiche, poiché le WSNsono sistemi distribuiti vincolati alle risorse;

– il modello informativo per i nodi sensori, le ca-ratteristiche e le applicazioni della WSN do-vrebbero essere contenuti nel MIB;

– interfaccia verso le applicazioni.

Ci sono altri elementi che concorrono ad unabuona gestione di rete, come l’etichettatura deinodi (naming), la localizzazione, la manutenzionee la tolleranza ai guasti (fault tolerance).

Naming è lo schema usato per identificare i no-di sensori: può abbassare i costi di computazionee rendere più efficiente dal punto di vista ener-getico il protocollo di routing.

La localizzazione permette di individuare dove èun nodo: è un servizio utile a molte applicazioni.

L’attività di manutenzione coinvolge molti aspet-ti, quali cambio di batterie, configurazione dei no-di sensori, ecc.

Una rete di sensori può essere soggetta a diver-si guasti e/o problemi, sia hardware che software.I meccanismi di recupero richiesti sono quindi ditipo differente a seconda del tipo di emergenza.Proprio per queste ragioni, dovrebbero essere pre-senti funzionalità di fault tolerance.

Teodoro Ambrogio, Daniela D’Aloisi,Giuseppe Fierro, Susanna RagazziniFondazione Ugo Bordoni

PROTOCOLLI NELLE WIRELESS SENSOR NETWORK

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IL MONDO GESTITO DA UNA RETE DI SENSORI INVISIBILI

I quaderni di

Uno degli aspetti fondamentali da prendere inesame nella realizzazione di una rete di sen-

sori riguarda l’utilizzo delle tecnologie di comuni-cazione tra i singoli nodi. In questo ambito, consi-derate le caratteristiche di flessibilità, facilità di im-plementazione e, in alcuni casi, di mobilità dei no-

di di tali reti, un ruolo molto importante viene svol-to dalle tecnologie radio.

Nella presente analisi verranno illustrate solo letecnologie radio più comunemente utilizzate, nonessendo possibile, a causa della vastità delle appli-cazioni esistenti, fornire una panoramica completa.

Le tecnologie di comunicazioneradio nelle reti di sensori

Figura 1. Confronto grafico delle prestazioni tra alcune delle tecnologie considerate.

Tabella 1. Confronto tra le prestazioni di alcuni degli standard considerati.

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Di queste tecnologie, inoltre, verranno evidenzia-te solo le caratteristiche principali nell’ottica di unloro utilizzo nelle reti di sensori wireless.

In particolare verranno prese in esame: l’RFID, ilBluetooth/Personal Area Network (PANs), lo Zig-bee, l’Ultra Wide Band, le Wireless LAN (Local AreaNetwork)) e, visto l’interesse suscitato negli ultimitempi, si farà un accenno anche al WiMax e alle tec-nologie di 3G, per tutte quelle applicazioni rivolteal Broadband Wireless Access con reti aventiun’estensione di qualche chilometro (MAN - Me-tropolitan Area Network), ma anche in grado diraggiungere una copertura a livello nazionale.

Prima di fornire una breve descrizione per ciascu-na delle tecnologie menzionate si vuole osservarecome, molte di queste, utilizzano, per la comunica-zione, bande di frequenza condivise (bande ISM, U-NII ecc..) risultando quindi soggette, oltre che ai fe-nomeni di attenuazione legati alle caratteristiche na-turali di propagazione (fading da cammini multipli, as-sorbimento, ecc..), anche alle possibili interferenzederivanti da altri utilizzatori che stanno operando nel-le vicinanze nelle stesse frequenze “non protette”.

RFIDL’RFID è una tecnologia che può essere impiegata perrealizzare una classe di sensori wireless per il cui fun-zionamento non è necessaria alcuna alimentazioneelettrica. Si tratta infatti di elementi passivi (etichetteo TAG) che opportunamente eccitati da un agenteesterno, restituiscono uno specifico segnale digitale.

La maggior parte delle etichette RFID sono cir-cuiti integrati (IC), dispositivi microelettronici a se-miconduttore con un gran numero transistor e al-tri componenti elettrici ed elettronici interconnes-si tra loro.Viene comunemente utilizzata per mo-nitorare mezzi e oggetti in movimento e per l’eti-chettatura delle merci.

Attualmente il TAG RFID può contenere 96 bitdi informazione, anche se soluzioni più recenti per-mettono di raggiungere i 128 ed anche i 256 bit.

ZIGBEEZigBee è il nome che fa riferimento ad un insiemedi protocolli di comunicazione ad alto livello cheutilizzano piccole antenne digitali a bassa potenzaed è basato sullo standard IEEE 802.15.4 rivolto a

reti aventi una copertura radio molto limitata (wi-reless personal area networks - WPANs). Comeper le altre tecnologie di comunicazione anche inquesto caso è stata definita una Zigbee Alliance cheè un’associazione di società nel settore dell’ICT chesi propone di favorire lo sviluppo e la diffusione diquesta tecnologia a livello mondiale. La specificaZigBee 1.0 è stata approvata il 14 dicembre 2004.

I protocolli ZigBee sono progettati per l’uso in ap-plicazioni embedded che richiedano un basso transferrate e bassi consumi.L’obiettivo attuale di ZigBee è didefinire una Wireless mesh network,economica e au-togestita che possa essere utilizzata per scopi quali ilcontrollo industriale, le reti di sensori, la domotica,ecc.La rete risultante avrà un consumo energetico tal-mente basso da poter funzionare per uno o due annisfruttando la batteria incorporata nei singoli nodi.

ZigBee opera nelle frequenze radio assegnateper scopi industriali, scientifici e medici (ISM) ed inparticolare nella 2,4 GHz. Per alcune applicazionivengono utilizzate anche la 868 MHz in Europa ela 915 MHz negli Stati Uniti.

Questa tecnologia intende essere più semplice epiù economica di altre WPAN come, ad esempio,Bluetooth. Il nodo ZigBee, del tipo più complesso,si dice che potrebbe richiedere solamente il 10%del codice necessario per un tipico nodo Blueto-oth o WiFi, mentre il più semplice dovrebbe richie-derne intorno al 2%.Tuttavia, attualmente le dimen-sioni del codice risulta essere più alto e si aggira in-torno al 50% del codice necessario per Bluetooth.

Le velocità di comunicazione possono variare trai 20 e i 250 Kbps.

Gli elementi che normalmente costituiscono unarete basata su ZigBee sono:J il ZigBee Coordinator (ZC): è il dispositivo

più “intelligente”, costituisce la radice di una re-te ZigBee e può operare da ponte tra più reti.Ci può essere un solo Coordinator in ogni rete.Esso è inoltre in grado di memorizzare informa-zioni riguardo alla sua rete e può custodire lechiavi di sicurezza;

J gli ZigBee Router (ZR): questi dispositivi agi-scono come router intermedi passando i dati dae verso altri dispositivi;

J gli ZigBee End Device (ZED): includono solole funzionalità minime per dialogare con il suonodo parente (Coordinator o Router), non pos-sono trasmettere dati provenienti da altri dispo-sitivi; sono i nodi che richiedono il minor quan-

LE TECNOLOGIE DI COMUNICAZIONE RADIO NELLE RETI DI SENSORI

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titativo di memoria e quindi risultano spesso piùeconomici rispetto ai ZR o ai ZC.Nel 2005 il costo stimato per il ricetrasmettito-

re di un nodo ZigBee era di circa $1.10. La maggiorparte dei dispositivi ZigBee richiedono però ancheun microcontrollore e questo determina un aumen-to del costo unitario.

ZigBee Alliance sta attualmente lavorando sullaversione 1.1. che mira ad avvantaggiarsi dei miglio-ramenti riportati nella specifica 802.15.4b, anchecon l’intenzione di fornire caratteristiche di mag-giore flessibilità nella scelta dei metodi di autenti-cazione e di criptazione.

ULTRA WIDE BANDCon il termine ultra wideband (UWB) si indica unatecnologia sviluppata per trasmettere e riceveresegnali mediante l’utilizzo di impulsi di energia inradiofrequenza di durata estremamente ridotta (dapoche decine di picosecondi a qualche nanosecon-do). Questi impulsi sono rappresentati da pochi ci-cli d’onda di una portante a radiofrequenza e quin-di la banda del segnale risultante, nel dominio del-la frequenza, risulta essere particolarmente larga.La brevità dell’impulso rende l’UWB poco sensibilealle interferenze dovute alla riflessione dell’onda stes-sa. Inoltre la notevole larghezza della banda molto fasì che la densità di energia sia molto bassa. Questacaratteristica rende le comunicazioni difficilmenteintercettabili perché il segnale ha un’intensità simileal rumore di fondo. Inoltre non interferisce con leapplicazioni già esistenti e permette di realizzare di-spositivi con un consumo energetico ridotto.

L’ultra wide band è un protocollo di trasmissio-ne wireless dei dati, che permette di raggiungereuna banda dell’ordine di gigabit/secondo attraver-so emissioni alla frequenza di 4 gigaHertz con unapotenza elettrica in antenna di decimi di watt.

Le caratteristiche peculiari di questa tecnologia per-mettono di realizzare collegamenti su distanze estre-mamente brevi, tipicamente qualche decina di metri.

Nell’ambito dell’IEEE 802.15 sono stati avviatidue progetti per standardizzare l’UWB: il TaskGroup 3a (TG3a) per applicazioni ad alta velocitàe con elevato duty cycle, e il Task Group 4a (TG4a)per applicazioni a bassa potenza e con basso dutycycle.Tuttavia, il TG3a, a causa di disaccordi tra so-stenitori della tecnologia Direct Sequence UWBed i sostenitori della Multi-band OFDM UWB, fu

sciolto. Nonostante ciò, dai fautori del Multi-bandOFDM UWB, è nato lo standard WiMedia UWBCommon Radio Platform (data rate fino a 480Mbps, nella banda 3.1-10.6 GHz); mentre la solu-zione Direct Sequence UWB (data rate fino a 1320Mbps, nelle bande 3.1-4.85GHz e 6.2-9.76 GHz) èstata inserita nel progetto di standard IEEE802.15.4a, promosso dalla Zigbee Alliance.

Le applicazioni tradizionali dell’UWB sono nelcampo dei radar. Più recentemente si sono svilup-pate applicazioni rivolte alle reti di sensori.

BLUETOOTHBluetooth è una specifica per comunicazioni radioa corto raggio il cui protocollo di trasmissione èstato inizialmente progettato per funzionare su uncampo ristretto di applicazioni (sincronizzazione,cuffie senza fili, mouse e tastiere senza fili, ecc..). Laspecifica divenne uno standard de facto e venne in-serita nell’ambito dell’IEEE 802.15.1 che aveva loscopo di definire uno standard internazionale perle wireless Personal Area Network (wireless PAN).

Le specifiche del Bluetooth hanno permesso di rea-lizzare una tecnologia a basso costo e a bassa emis-sione di potenza,operante nella banda ISM dei 2.4GHze, per questo motivo, assicura l’implementazione diapplicazioni che sono compatibili a livello mondiale.

La specifica consente sia connessioni punto-pun-to che punto-multipunto arrivando a connetterefino a sette comunicazioni simultanee.

Il livello fisico del protocollo Bluetooth prevedela tecnica di trasmissione Frequency Hopping Spre-ad Spectrum (FHSS). In accordo a tale tecnica la ban-da a 2.4GHz è stata divisa in 79 canali da 1Mhz edè previsto che il canale di trasmissione possa cam-biare fino a 1600 volte al secondo.

Per ridurre le interferenze prodotte da altre tec-nologie operanti sulla stessa banda di trasmissione,nelle versioni più recenti dello standard, sono stateapplicate delle soluzioni innovative per consentire alsistema di individuare spazi frequenziali non utilizza-ti dove poter continuare la comunicazione in modoindisturbato. In ogni caso, in presenza di interferen-za, la comunicazione non si interrompe ma, al massi-mo, la velocità di comunicazione viene ridotta.

L’ultima versione dello standard, conosciuta co-me Bluetooth 2, raggiunge velocità di trasmissionefino a 3Mbps su distanze di 10 metri, ma possonoraggiungere anche i 100 metri nel caso si utilizzino

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I quaderni di

59MARZO2008

apparati amplificati in potenza. Quest’ultima solu-zione, naturalmente, comporta un maggiore con-sumo di energia. In generale i dispositivi Bluetooth,relativamente alla potenza emessa, si dividono intre classi (vedi tabella 2).Una caratteristica del Bluetooth è quella di sta-bilire, con gli altri dispositivi, connessioni di ti-po sicuro attraverso un sistema di autenticazio-ne crittografato.

Sono in corso di definizione degli sviluppi dello stan-dard che consentiranno di migliorare le prestazioni intermini di data rate (fino a 480 Mbps) grazie all’inte-grazione delle caratteristiche peculiari dell’UWB.

WIFI/WLANL’802.11 è stato il primo standard emesso dall’IE-EE che forniva le specifiche del protocollo fisico edel MAC per la realizzazione di dispositivi di retededicati alle WLAN. Questo standard è stato rila-sciato nel 1997 e consentiva di ottenere data ratepari a 1 e 2 Mbps. Nel corso degli ultimi anni, lostandard è stato rivisto e modificato diverse voltedalla sua prima pubblicazione, e ora comprende cin-que strati fisici:Infrarossi a 1 e, opzionalmente, 2 Mbps;– Frequency hopping spread spectrum a 1 e, opzio-

nalmente, 2 Mbps a 2,4 GHz;– Direct Sequence Spread Spectrum da 1 a 11 Mb

/ s a 2,4 GHz;– Frequency Division Multiplex ortogonale (OFDM)

fino a 54 Mb / s a 5 GHz;– una scelta tra DSSS e OFDM fino a 54 Mb / s a

2,4 GHz.

È possibile realizzare sia connessioni ad hoc pe-er-to-peer che connessioni basate su una infrastrut-tura di rete. In quest’ultimo caso sono richiesti deipunti di accesso fissi (AP), che agiscono come ga-teway tra i dispositivi cablati (ad esempio, EthernetIEEE 802.3) e la rete wireless.

Lo standard IEEE 802.11b/g/n WLAN fornisce lespecifiche di funzionamento in banda ISM a 2,4 GHzanche se, i regolamenti per questa banda, non so-no uniformi a livello internazionale.A causa di que-sta situazione, nonostante lo standard prevede lasovrapposizione di 14 canali da 22 MHz tra i 2,4 ei 2,5 GHz, questi non risultano essere utilizzabilisempre nella loro totalità.

Lo standard candidato per essere impiegato nel-le reti di sensori è l’802.11b, che opera a 1Mbps e2 Mbps. I suoi requisiti hardware sono semplici, lavelocità è sufficientemente elevata, e l’uso dellatecnica Direct Sequence permette di evitare i pro-blemi che si riscontrano nei sistemi che usano latecnica Frequency Hopping (ridotta potenza in tra-smissione, migliore sincronizzazione, minore inter-ferenza tra reti di sensori adiacenti, ecc..). Il costodegli apparati ed il consumo di energia dei sistemibasati sullo standard 802.11b esteso, infatti, sem-bra essere ben al di là delle caratteristiche tipichedelle reti di sensori wireless, in quanto richiede-rebbe, da parte di un nodo della rete di sensori,un’eccessiva dissipazione di potenza che, nella mag-gioranza dei casi, risulterebbe inaccettabile.

Per quanto riguarda il WiMax ed i sistemi 3G, in vir-tù di una potenza di trasmissione più elevata ed infra-strutture di rete consolidate,è possibile realizzare re-ti di dimensioni che possono raggiungere un’estensio-ne metropolitana o addirittura nazionale con elevatecapacità di dati che abilitano anche alla trasmissionedi contenuti multimediali (immagini, video, ecc..) e leapplicazioni tipiche sono quelle del monitoraggio am-bientale, rilevamento degli incendi ed ubiquitous wi-reless sensor networks (ad es. in campo medico permonitorare pazienti in qualunque luogo si trovino),ecc. Si tratta comunque di tecnologie ed applicazioniancora sperimentali ed in via di definizione, che po-tranno essere analizzate più in dettaglio in un succes-sivo approfondimento della tematica.

Massimo Celidonio Fondazione Ugo Bordoni

LE TECNOLOGIE DI COMUNICAZIONE RADIO NELLE RETI DI SENSORI

ClassePotenza

(mW)Potenza(dBm)

Distanza (Approssimativa)

Classe 1 100 mW 20 dBm ~ 100 metri

Classe 2 2,5 mW 4 dBm ~ 10 metri

Classe 3 1 mW 0 dBm ~ 1 metro

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“The most profound technologies are tho-se that disappear”: con questa frase

Mark Weiser inizia il suo celebre articolo del set-tembre 1991 intitolato “The Computer for the21st Century”.

In questo lavoro Weiser immagina ambientipervasi da un alto numero di dispositivi tecno-logici in grado di influenzare e migliorare tuttigli aspetti della nostra vita risultando però invi-sibili ai nostri occhi.

I progressi tecnologici continui hanno condot-to ad un’abbondante disponibilità di microproces-sori e microcontrollori sempre più piccoli ed eco-nomici, equipaggiati con sensori sempre più avan-zati, storage e dotati di connessione wireless.

La presenza di questa straordinaria capacità dieleborazione sta rendendo realizzabile la visione diMark Weiser.

Proprio l’integrazione della capacità di calco-lo, storage e comunicazione in dispositivi di di-mensioni ridotte e a basso costo ha portato al-la definizione delle cosiddette Wireless SensorNetwork (WSN).

WIRELESS SENSOR NETWORKLe WSN sono reti senza fili con un grande nume-ro di nodi capaci di:– acquisire e trasmettere il valore di variabili fisi-

che fornito da sensori presenti sui nodi stessi,– effettuare delle elaborazioni in ciascun nodo.

Questo particolare tipo di reti è generalmente uti-lizzato per raccogliere informazioni in maniera nonassistita per lunghi periodi nei più svariati ambienti.

Si generano quindi problematiche che sono moltodiverse da quelle delle classiche reti di trasferimen-to dati. In particolare, diventano critiche:– la gestione energetica;– l’ottimizzazione della banda e del routing;– l’individuazione automatica di dove sono i nodi

(localizzazione);– la scalabilità, resilienza ed estensibilità della rete;– la sicurezza delle comunicazioni.

Da sistemi che garantivano semplici funzionalitàdi estrazione dati senza alcun trattamento, le WSNstanno evolvendo verso architetture in cui i singo-li nodi svolgono gran parte dell’elaborazione delleinformazioni raccolte e sono parte di un comples-so sistema distribuito.

È importante studiare architetture di sistemi di-stribuiti specifiche per WSN in quanto le soluzioniadottate nei sistemi tradizionali non sempre risol-vono le problematiche proprie di queste reti.

I “challenge” di ricerca in questo campo sonoquindi legati alle problematiche di progettazione ecoordinamento di grandi sistemi distribuiti per iquali non sono solo importanti le specifiche fun-zionali ma anche quelle prestazionali.

UNO SCENARIO PER L’IMPLEMENTAZIONEDI WSN IN AMBITO DOMESTICOOperando nel campo specifico delle “tecnologie dimobilità” (mobile computing e reti wireless), il la-boratorio NOMADIS dell’Università degli Studidi Milano-Bicocca ha fatto della ricerca nell’ambi-to delle Wireless Sensor Network una delle sueprincipali attività.

Con l’obiettivo di studiare e sfruttare le poten-zialità delle WSN in ambito domestico, il laborato-rio ha realizzato un sistema chiamato Sicuri e IN-DIpenti (SINDI) che offre strumenti avanzati peril monitoraggio costante di parametri dinamici, cli-nici e fisici, sia di pazienti in assistenza o ricoverodomiciliare sia in soggetti che possono diventareautosufficienti con un supporto di monitoraggio.

SINDI è composto da:– una wireless sensor network: alimentata a batteria,

attualmente implementata con tecnologia Zig-Bee che copre tutte le stanze della casa e per-mette di raccogliere informazioni sull’ambientee sulla persona;

– display (TV), videocamera e processore (Home Pro-cessor): interfaccia la rete locale con il mondoesterno e compie le funzioni di monitoraggio in-telligente e comunicazione audio/video;

IL MONDO GESTITO DA UNA RETE DI SENSORI INVISIBILI

I quaderni di

Wireless Sensor Networkper applicazioni mobili

61MARZO2008

– telecomando/telefono (Personal Processor): fisica-mente simile a un telefono cellulare, serve al-l’utente come “telecomando” del sistema e co-municatore vocale.

SINDI comprende diversi tool di comunicazione,che permettono a persone isolate (o impossibilita-te a intrattenere normali rapporti sociali) di svilup-pare, via Internet, attività di comunicazione digita-le o di intrattenimento.– Monitoraggio 24/7 automatico dello stato della

persona e dell’ambiente;– accesso remoto da parte di personale specializ-

zato o di parenti alle informazioni generate dalmonitoraggio automatico;

– aiuto alla gestione delle attività personali(agenda, reminder somministrazione medici-nali, ecc.);

– comunicazione audio e video con personale spe-

cializzato, parenti e altri utenti;– funzionalità multimediali per l’intrattenimen-

to, l’informazione e la creazione di comunitàdi pratica.

SINDI permette di monitorare:– movimento della persona: quotidianità ed even-

ti straordinari;– posizione della persona nella casa;– oggetti nella casa (tapparelle, porte, finestre, ecc.);– variabili ambientali (temperatura, umidità, luce,

gas, ecc.).

Ulteriori dettagli relativi a SINDI e ad altri pro-getti del laboratorio NOMADIS si possono trova-re all’indirizzo http://www.nomadis.unimib.it.

Roberto Bisiani, Davide MericoLaboratorio NOMADIS – Università di Milano-Bicocca

LeWireless Sensor Network (WSN) sonoreti wireless ad-hoc multi-hop formate

da piccoli dispositivi, i nodi sensori, che si auto-organizzano e cooperano per realizzare un co-mune compito di monitoraggio. I nodi sensori so-no dispositivi economici e dunque non partico-larmente robusti ed inoltre sono tipicamente di-slocati in ambienti ostili. La potenza di calcolo èrelativamente bassa, la memoria limitata e la ra-dio ha un raggio di copertura ridotto. Inoltre isensori sono normalmente alimentati a batteriae dunque la progettazione di soluzioni energeti-camente efficienti riveste un ruolo di primaria im-portanza affinché il tempo di vita di una WSN siasufficientemente elevato da consentirne l’impie-go in applicazioni reali. Se infatti la crescita dellapotenza computazionale segue una legge espo-nenziale, come sancito dalla legge di Moore, il po-tere energetico delle batterie non ha subito mi-

glioramenti significativi negli ultimi anni e anchenel prossimo futuro non sono previste evoluzio-ni importanti.Tutte queste caratteristiche rendo-no le WSN una fonte inesauribile di problemi diricerca interessanti e stimolanti.

Negli ultimi anni è cresciuto al Dipartimento diInformatica e Sistemistica (DIS) della Sapienza ungruppo di persone, che ho coordinato con il prof.Alberto Marchetti-Spaccamela, interessato alleWSN prima da un punto di vista teorico e poida un punto di vista sperimentale. L’attività delgruppo del DIS è concentrata prevalentementenella progettazione e analisi di algoritmi e pro-tocolli energeticamente efficienti.Tra le varie fon-ti di consumo energetico per i nodi sensori, leattività della radio sono di gran lunga le più di-spendiose. Per questo motivo abbiamo studiatocome ridurre il consumo energetico connesso

WIRELESS SENSOR NETWORK PER APPLICAZIONI MOBILI

Lo sviluppo di soluzioni basate su Wireless Sensor Network:un approccio teorico/sperimentale

62

all’uso radio, attraverso protocolli che sfruttanoil duty-cycle (i nodi alternano periodi di inattivi-tà a periodi di veglia), tecniche di aggregazionedei dati (meno dati da trasmettere) e sparsifica-zione del grafo della connettività (meno archi sucui trasmettere).

L’analisi teorica delle soluzioni proposte, ci con-sente di fornire una prima indicazione quantitati-va della loro efficienza, tuttavia all’analisi teoricadeve seguire una ulteriore fase di validazione ba-sata sulle simulazioni e sui dimostratori. Questa“doppia” valutazione delle prestazioni è indispen-sabile per realizzare soluzioni che siano efficientie al contempo pratiche.

Le limitate risorse hardware dei nodi sensori(CPU e radio), impongono la progettazione di so-luzioni che siano auspicabilmente semplici, robu-ste, localizzate (nel senso che prevedono lo scam-bio di informazioni solo tra vicini) e che tenganoconto anche dei vincoli imposti dall’ambiente incui i nodi sono dislocati.Tuttavia il modello cheviene usato per l’analisi teorica, spesso astrae le

sole caratteristiche significative di uno specificoproblema e tralascia più o meno consapevolmen-te alcuni presunti dettagli che si rivelano di im-portanza determinante nella realizzazione di unasoluzione pratica.

Prendiamo per esempio l’astrazione del grafodella connettività in cui esiste un arco tra duenodi (due sensori) se e solo se essi possonoscambiarsi messaggi.Tipicamente viene conside-rato il grafo in cui esiste un arco tra due nodi sela loro distanza reciproca è minore o uguale alraggio di trasmissione della radio. Questo pre-suppone che il raggio trasmissivo sia uguale pertutti, ben determinato e non vari nel tempo.Ta-li assunzioni semplificano l’analisi e ci consento-no di ottenere risultati teorici significativi, ma so-no di dubbia validità nella pratica, dove il raggiotrasmissivo è soggetto a fenomeni di fading e per-tanto varia nel tempo.

Bisogna dunque stabilire un circolo virtuoso in cuila teoria fornisca indicazioni quantitative sulla qua-lità di una soluzione e la sperimentazione chiari-sca i punti di forza e debolezza dell’analisi teorica.Attraverso l’iterazione di questo circolo virtuosoè possibile progettare soluzioni via via più raffina-te, efficienti e pratiche.

La verifica sperimentale delle soluzioni teorichepuò essere affidata a due strumenti di base: i simu-latori e i dimostratori.Un simulatore è un software che simula il com-portamento di una rete di sensori. Come nel ca-so dell’analisi teorica anche il simulatore impo-ne la modellazione della realtà nella quale operala WSN ed è dunque soggetto ad errori. Il van-taggio principale di questo strumento è che con-sente la sperimentazione rapida e semplice discenari caratterizzati anche da un grande nume-ro di sensori. Un dimostratore invece è una re-te di sensori a tutti gli effetti, che riproduce fe-delmente, eventualmente su scala ridotta, le con-dizioni in cui si trova ad operare una WSN. Quin-di un dimostratore è senz’altro lo strumento piùaffidabile per validare sul campo le prestazioni diuna rete di sensori, inoltre rappresenta un pri-mo passo verso la realizzazione di una soluzio-ne compiuta.Tuttavia la realizzazione di un dimo-

IL MONDO GESTITO DA UNA RETE DI SENSORI INVISIBILI

I quaderni di

Figura 2

63MARZO2008

stratore richiede uno sforzo organizzativo im-portante che fa allungare significativamente i tem-pi della sperimentazione.

Esistono numerosi simulatori per WSN, citiamoTOSSIM da un punto di vista funzionale e NS2 eOMNET++ da un punto di vista prestazionale,tuttavia sorprendentemente non era mai statacondotta un’analisi comparativa tra i risultati pro-dotti dai simulatori e quelli ottenuti da un dimo-stratore sulla medesima WSN. Poiché il simula-tore richiede necessariamente di modellare la re-altà nella quale opera la WSN, è necessario veri-ficare sperimentalmente quale sia l’affidabilità ditale modello. I nostri esperimenti condotti su OM-NET++ e NS2 ci consentono di affermare che imodelli di propagazione più semplici, non consen-tono di ottenere risultati veritieri, le metriche ot-tenute dal simulatore si discostano anche del300% da quelle del dimostratore. I modelli piùcomplessi (es: OMNET++ con il framework Ca-stalia) offrono buoni risultati, con errori limitatial 10% nella maggioranza dei casi e possono dun-que essere considerati come strumenti che for-niscono riscontri affidabili sulle prestazioni di unrete di sensori.

Le soluzioni che passano il vaglio delle simulazio-ni, sono finalmente pronte per essere implemen-tate tramite dimostratori con la duplice finalitàdi validare ulteriormente ed in modo ancora piùaffidabile le soluzioni proposte e fornire una ver-sione prototipale della WSN che verrà eventual-mente implementata e ingegnerizzata per il de-ployment finale.

In questa sede ci limiteremo a descrivere breve-mente due tra i dimostratori più significativi su cuiabbiamo lavorato e stiamo tuttora lavorando e cheriguardano una rete di sensori per il supporto almonitoraggio della produzione di vino di qualità euna rete di sensori per il monitoraggio di monu-menti. Entrambi i dimostratori, evidenziano chia-ramente come le WSN, grazie alla loro economi-cità, alla facilità di deployment e alla grande versa-tilità, rappresentino ormai una soluzione maturaper il monitoraggio ambientale.

Recentemente il DIS ha partecipato ad un pro-getto dell’Agenzia Spaziale Europea che preve-

de il monitoraggio delle zone agricole dell’areadi Frascati. Uno degli obiettivi del progetto èquello di fornire dati ambientali agli enologi inmodo da migliorare il processo di produzionedel vino e la sua qualità e prevede l’integrazionedi dati macroscopici ottenuti per mezzo del sa-tellite con i dati microscopici ottenuti per mez-zo delle WSN.

Grazie all’integrazione di queste due tecnolo-gie è possibile integrare la visione d’insieme for-nita dalle immagini satellitari con le informazio-ni puntuali fornite dalla rete di sensori, in mododa avere una granularità dei dati che permetta ilmonitoraggio costante ed accurato dei principa-li fattori che influenzano localmente la produzio-ne nelle vigne, il cosiddetto terroir. Nel caso spe-cifico, la WSN è stata realizzata con dispositiviTmote Sky ed ha funzionato per circa due set-timane. I nodi sono stati posti sui filari di una vi-gna nella zona di Frascati ed i dati collezionatidalla rete venivano comunicati via GPRS ad unserver per mezzo di un sink sviluppato su tec-nologia embedded-linux in collaborazione conl’azienda Ceca Wireless Info e il WLAB, una pic-cola azienda romana ad alto contenuto tecnolo-gico.Tali dati, che in questa prima fase della spe-rimentazione prevedevano misure di luce, umi-dità e temperatura, venivano resi disponibili aglienologi per mezzo di una apposita interfacciaWeb, in modo da rendere agevole agli espertil’accesso da remoto alle informazioni raccoltesul territorio.

LO SVILUPPO DI SOLUZIONI BASATE SU WIRELESS SENSOR NETWORK: UN APPROCCIO TEORICO/SPERIMENTALE.

Figura 2

64

La collaborazione tra il DIS e la Fondazione UgoBordoni (FUB) ha portato alla definizione di unaccordo per la realizzazione di un laboratoriocongiunto sulle WSN.Il primo risultato concreto della collaborazio-ne è il progetto di monitoraggio tramite WSNdei ruderi che si trovano al piano semi-interra-to del DIS, in collaborazione con la Soprinten-denza Archeologica di Roma. Si tratta di alcunestrutture di età medio e tardo-imperiale (si ve-da http://www.fastionline.org/docs/FOL-DER-it-2006-55.pdf per maggiori dettagli) el’obiettivo iniziale della sperimentazione è il mo-nitoraggio delle grandezze fisiche che possono

determinare l’insorgenza di micro-organismi emuffe dannosi per le strutture. In una secondafase del progetto saranno attivati sensori percontrollare l’eventuale oscillazione delle strut-ture con particolare riferimento alla volta crol-lata in situ. In questo contesto le WSN sono lasoluzione ottimale perché l’installazione dellarete non ha alcun impatto sulle strutture infat-ti i dispositivi risultano essere pressoché invisi-bili e non danneggiano in alcun modo l’esteticadel monumento.

Andrea Vitaletti DIS Sapienza Università di Roma

IL MONDO GESTITO DA UNA RETE DI SENSORI INVISIBILI

I quaderni di

Figura 3