Apuntes sobre enrutamiento con nrf24l01

Decisiones generales

• mejor utilizar los pipes que ofrece el modo Shockburst
• hipotizamos distintos escenarios y elegimos el que mejor se adapte a nuestro escenario concreto

Escenarios con pipes fijos

En este escenarios los pipes se usan por lo que son: canales de transmisión fijos o semi-fijos. Los pipes tienen la gran ventaja que implementan los ACKs en automatico, pero la gran desventaja que son canales casi unidireccionales, en el sentido que el nodo transmisor es el que tiene que empezar la comunicación siempre.

Escenario super simple: Topología a estrella con 6 hojas

la base se pone como nodo receptor Rx, y los otros nodos (hasta 6) como nodos transmisores (Tx). Cada sensor tiene un pipe asignado distinto. La topologia es estática y a estrella. La base queda siempre recibiendo y los otros siempre transmitiendo. Los TX pueden apagarse cuando quieran. Para comunicaciones de la base a los nodos es necesario usar los ACKs.

Ventajas:

• super sencillo
• ningún overhead
• todo el payload queda disponible para las aplicaciones
• eficiencia energética máxima

Limitaciones:

• no mas que 6 nodos
• todos los nodos en rango
• comunicación empezada siempre por los transmisores

Escenario topologia a árbol con enrutamiento manual

como en el escenario 1, pero hay un tipo de nodo que es "relay", es decir que es Rx y Tx al mismo tiempo. El nodo relay tiene que alternar modo recibir y modo transmitir. Cada vez que recibe algo lo tiene que transmitir a la base o al relay al cual està conectado. Cuando el relay se pone a transmitir, es posible que algún sensor le quisiera enviar algo en el cual caso no encontraría el relay en escucha. Este caso habría que gestionarlo (por ejemplo esperando un tiempo y volviendo a intentarlo). La topologia es de arbol y estatica. Las direcciones de los pipes tienen que ser distintas, si no dos nodos con el mismo pipe intentaran comunicarse a la vez. La base y los nodos relay tienen que estar en escucha siempre. Para comunicaciones de la base a los nodos se pueden usar los ACKs, pero no se pueden seleccionar todos los nodos de manera distinta (dado que solo se pueden direccionar los nodos conectados a la base), asi que queda solo la comunicacion de tipo broadcast.

Ventajas:

• super sencillo
• permite conectar mas de 6 nodos y también nodos no alcanzables desde la base
• overhead mínimo en caso de que un relay no este en escucha
• todo el payload queda disponible para las aplicaciones

Limitaciones:

• enrutamiento estático
• los relays siempre en escucha
• comunicación empezada siempre por los transmisores

Escenario topologia a arbol con enrutamiento automático semi-estático

como en el escenario 2, pero el enrutamiento no es programado en firmware si no que se auto-constituye. Una vez hecho el enrutamiento puede quedarse como estático (grabado en memoria para siempre) o semi-estético (con renovaciones periódicas). Para permitir este escenario es necesario que los nodos sean capaces de descubrirse el uno con el otro y enviarse informaciones sobre el alcance radio de cada uno y su situación energética. Para permitir esta información de "control" una de las opciones es dedicarle un pipe con una dirección común, como si fuera un canal de broadcast general (mejor quitar los ACKs en este caso).

Hay distintos algoritmos distribuidos o centralizados para generar el árbol de enrutamiento que tienen en cuenta distintos parámetros y tienden a optimizar cosas como el gasto energético, la fiabilidad del canal (ver sección mas abajo). Para elegir el algoritmo mejor hace falta un análisis ulterior de las posibilidades teniendo en cuenta las limitaciones intrínsecas del HW que tenemos.

Ventajas:

• permite conectar cualquier numero de nodos y con distintos alcances
• enrutamiento optimo (segun el algoritmo)
• no hace falta configurar nada
• si se separa el canal broadcast de los demas, todo el payload queda disponible para las aplicaciones

Limitaciones:

• los relays siempre en escucha
• comunicación empezada siempre por los transmisores
• un pipe queda dedicado al broadcast
• overhead considerable por tener que implementar el algoritmo de enrutamiento

Topologia mesh con enrutamiento automático dinámico

en este escenario cada mensaje se busca el recorrido hacia la base de manera dinámica, no hay rutas pre-establecidas, y no tiene sentido hablar de topologia, realmente es una red "mesh" donde todos están conectados a todos. Es un escenario apto para topologias extremadamente dinámicas con nodos en movimiento por ejemplo.

Escenario con pipes dinamicos

Si en el escenario anterior los pipes son estables y representaban un canal fijo de comunicación entre dos nodos, aquí los pipes son canales temporales, es decir se abren y se cierran según las necesidades. Las direcciones de los pipes pueden ser utilizadas como canales separados en el mismo medio (el aire), por ejemplo asignando un canal común para todos los nodos y canales distintos para cada nodo. Para garantizar comunicaciones bidireccionales cada nodo puede ponerse como transmisor o como receptor, según la necesidad. Este mecanismo se presta bien para redes mesh.

Algoritmos de creación de redes

LEACH

Es un algoritmo muy simple que optimiza el consumo energetico. presentación, paper, pagina wiki

Características:

• basado en la creación de clusters, o sea topología de arbol, lo cual implica el enrutamiento
• supone que los nodos pueden ajustar la potencia de transmisión
• cada cluster tiene un cluster head (un nodo padre), las hojas usan poca potencia de transmisión, y los CH usan mucha potencia
• se pueden implementar clusters jerárquicos (clusters de clusters) pero el algoritmo no dice como

Algoritmo:

• Fase de creación de los clusters:
  • cada nodo decide si quiere ser cluster según un mecanismo probabilistico
  • este mecanismo tiene en cuenta si el nodo ha sido cluster ya (baja la probabilidad) y la energía disponible (mas energía mas alta la probabilidad)
  • los que han decidido ser cluster head envían un mensaje broadcast
  • en esta fase puede haber colisiones, entonces se aconseja algún mecanismo CSMA
  • los que no son cluster deciden cual es su mejor CH basándose en la potencia recibida
  • elegido el CH se le envía un mensaje para juntarse a la red (sigue utilizandose un CSMA)
  • los CH ahora saben quienes son sus hojas, organizan un TDMA entre sus nodos y les envían una respuesta (siempre con CSMA)
• Fase a régimen:
  • los nodos envían coordenados según el TDMA: las hojas encienden la radio cuando es su momento de transmitir solo y envían su paquete
  • para evitar interferencias entre nodos en clusters cercanos se sugiere el uso de [CDMA] (las llaves se pueden enviar durante la fase de establecimiento del TDMA)
  • los CH están en escucha todo el tiempo, pero se reservan un slot de tiempo para agregar todos los datos recibidos y enviarlos a la base (o a un super-CH)

Adaptaciones posibles para el nrf24l01:

• todos los mensajes de broadcast se pueden enviar a una pipe con dirección común (quitando los ACKs)
• si estamos en el escenarios con pipes fijos, cada cluster head no podrá aceptar mas que 5 nodos: o sea a la petición de join de los nodos hojas tiene que seguir una confirmación. Si el CH rechaza la petición del nodo no CH (la hoja), este nodo tendrá que seguir proponiéndose a otros CH hasta que no encuentre un CH que les acepte. Si no lo encuentra puede hacerse CH el mismo
• en este caso de pipes fijos habrá que asociar pipes distintos por cada CH para que no haya interferencia entre nodos
• el TDMA y el CDMA pueden ser opcionales, dependiendo de la cantidad de datos que uno se espera, o se puede implementar uno solo de los dos mecanismos
• si se asegura que cada noso no CH se conecte con una cierta frecuencia, auqnue no tenga nada que decir, se asegura también la bi-direccionalidad y que se pueda regenerar la red en cualquier momento (por ejemplo si algún nodo se añade de repente o si un CH muere)