Automazione_Oggi

GIUGNO 2015

AUTOMAZIONE OGGI 382

pio si può vedere il consumo

di potenza di un generico

nodo di rete (si veda figura

1), rispettivamente relativo a

sensore/i, CPU, trasmissione,

ricezione, modalità di attesa/

ascolto e di ‘sleeping’.

Per ridurre il costo e il con-

sumo energetico dei nodi si

utilizzano tipicamente modu-

lazioni ben consolidate e di

bassa complessità a discapito

della capacità trasmissiva, che

è spesso limitata a qualche

decina o centinaia di kbps.

Un’ulteriore limitazione di

costo e consumo energetico

del dispositivo può essere

ottenuta quando la modula-

zione radio avviene normal-

mente nelle bande comprese

tra gli 868-870 MHz, o nelle bande attorno ai 900

MHz e ai 2,4 GHz, per le quali non è richiesta li-

cenza governativa. Inoltre, dove è permesso dal

protocollo, un ridotto ‘duty-cycle’, unito alla mo-

dalità di sleeping, possono ulteriormente abbas-

sare i consumi energetici del nodo. A livello hardware, il cuore del

modulo radio è rappresentato dal transceiver, il quale può essere

in uno dei seguenti stati: Tx, il componente è attivo e trasmette;

Rx, il componente è attivo e riceve; Idle, il componente è attivo

e in attesa, non trasmette/riceve; Asleep, il componente non è

operativo. Il passaggio da uno stato all’altro richiede tempo e

consumo di energia.

Oltre a ciò, è bene ricordare che protocolli a basso consumo ener-

getico per la comunicazione aggiungono tipicamente maggiore

complessità e costo di processing rispetto a quelli classici, cosa

comunque ragionevole purché la soluzione proposta porti van-

taggi significativi in grado di bilanciare i costi aggiuntivi. Esiste

anche un ‘trade-off’ che dipende da dove è collocata l’intelli-

genza del sistema: fare processing delle informazioni in rete può

ridurre la necessità di comunicazione. Il costo da pagare è quello

di maggiore energia spesa per la computazione da parte dei nodi,

comunque inferiore a quella spesa per la comunicazione. Ottimiz-

zare questi trade-off, come pure ottenere i migliori trade-off tra

più metriche prestazionali di interesse, non solo l’energia spesa,

ma il throughput e la latenza, è uno degli obiettivi dei protocolli

di comunicazione a basso consumo energetico.

Classici protocolli MAC per le WSN

Considerando l’importanza del protocollo utilizzato, esaminiamo

brevemente alcuni tipici protocolli MAC (MediumAccess Control)

per le WSN.

Le potenzialità delle reti di sensori senza fili sono dovute non

tanto alle elevate capacità elaborative locali dei singoli nodi, che

sono in realtà relativamente modeste, quanto alla possibilità che

hanno i nodi, nel loro complesso, di coordinarsi fra loro e di auto-

organizzarsi. Perché tale coordinamento sia possibile è neces-

sario che fra i nodi venga attivato, come accennato, un efficace

sistema di comunicazione. Una rete wireless, per propria natura,

è esente da un collegamento fisico fra i nodi, pur essendo questi

tutti connessi fra loro. Questo li costringe a condividere un unico

canale, che potrebbe rappresentare il bus per i sistemi wired. Tale

vincolo impone l’implementazione di un opportuno protocollo

di tipo MAC che regoli l’accesso dei vari nodi alle informazioni di

proprio interesse.

Facendo riferimento al modello ISO-OSI, il MAC rappresenta il

sottolivello inferiore del livello ‘Data Link’ e comunica col livello

fisico assumendosi il compito di sintetizzare (in trasmissione) e di

analizzare (in ricezione) i pacchetti (si veda figura 2).

Dal punto di vista energetico, la scelta di un metodo MAC è deter-

minante per le prestazioni di una rete WSN. Vi sono molti metodi

classici per risolvere il problema dell’accesso, riconducibili a tre

maggiori categorie: assegnazione fissa delle risorse del canale,

assegnazione a richiesta delle risorse del canale, assegnazione

random delle risorse del canale. Vediamole in dettaglio.

Assegnazione fissa delle risorse del canale

Accesso multiplo a divisione di frequenza (Fdma): è una tecnica

che consiste nel suddividere la banda disponibile in sottobande,

che sono assegnate ai vari nodi. Un opportuno filtraggio effet-

tuato in ricezione permetterà di estrarre l’informazione inviata da

ciascun nodo.

Accesso multiplo a ripartizione nel tempo (Tdma): a ciascun

nodo è assegnato un intervallo di tempo (slot) in cui gli è con-

sentito trasmettere.

Accesso multiplo a divisione di codice (Cdma): all’informazione

trasmessa è associato un codice che identifica la sorgente. Il si-

stema utilizza tecniche di espansione dello spettro (spread spec-

trum) sia di tipo ‘frequency hopping’ (Fhss), sia di tipo ‘direct

sequence’ (Dsss).

Assegnazione a richiesta delle risorse del canale

Polling: questo sistema prevede che un dispositivo di con-

trollo (master) interroghi ciclicamente ciascun nodo (slave), asse-

Figura 2 - Architettura del modello di riferimento ISO-OSI: caso di incapsulamento/

trasmissione

Fonte: interactivemediasw.files.wordpress.com