Consideraciones energéticas de las Redes RC

El creciente desarrollo de las técnicas de RC, para encontrar y usar el espectro disponible para redes inalámbricas en equipos móviles, ha resultado en una búsqueda por minimizar el consumo energético de los dispositivos que emplean dicha técnica. Los autores en (Badruddoza et al., 2011) describen las influencias positivas y negativas, en cuanto a consumo energético, asociadas al empleo de las técnicas de RC.

Mirando desde un ángulo positivo, las técnicas de RC reducen la energía consumida para el establecimiento de la conexión al encontrar las porciones del espectro que se encuentran menos congestionadas. Esto puede facilitar el establecimiento de la comunicación con menor probabilidad de interferencia del medio, lo que resulta otro factor que requiere de un consumo energético adicional para los dispositivos móviles. Mayor interferencia del medio resulta típicamente en un aumento del número de colisiones y en el tiempo gastado para responder a este problema ya sea esperando un tiempo aleatorio o apartándose. Basados en esto, los autores en (Badruddoza et al., 2011) realizan comparaciones entre una radio cognitiva que examina una porción del espectro para escoger un canal y establecer comunicación, y una radio convencional fija en un canal dentro de este mismo espectro para transmitir la misma información, demostrando que el dispositivo cognitivo es energéticamente más eficiente y capaz de ahorrar fácilmente de un 20 a un 40% de la energía consumida por una radio convencional.

________________________________________________________________________________

19

Por otra parte, el escaneo del espectro para detectar los agujeros espectrales, los posibles saltos entre los canales de frecuencia y el proceso de señalización hasta lograr establecer el

Rendezvous, se traducen en un consumo intensivo de energía y pueden resultar en una disminución del tiempo de vida de la batería de los dispositivos móviles como tabletas, laptops, teléfonos inteligentes, sensores inalámbricos, entre otros.

En los algoritmos que utilizan múltiples radios, las tareas necesarias para alcanzar el establecimiento del Rendezvous se realizan simultáneamente por todos los radios aumentando el consumo energético asociado a este proceso.

En (Badruddoza et al., 2011) los autores consideran una red ad-hoc WLAN donde todos los nodos son libres de escoger cualquier canal para establecer la comunicación. Además, los nodos siempre tienen paquetes para enviar, cuando un canal presenta alta contención, otro canal con menos nodos es encontrado. Para estimar la energía consumida por un radio cognitivo al establecer el Rendezvous, los autores en (Badruddoza et al., 2011) tienen en cuenta el consumo asociado al escaneo de los canales y al proceso de señalización. En este último, el análisis se basa en el comportamiento y las demoras de un nodo que transmite, recibe o escucha al medio utilizando el modelo de acceso básico sin RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send) como se observa en la Figura 2.1 donde los tiempos SIFS (Espacio entre tramas corto) son los intervalos que una estación tiene que esperar antes de enviar un reconocimiento ACK, un mensaje CTS o fragmentos consecutivos de una trama fragmentada y los tiempos DIFS (Espacio entre tramas DCF) son los intervalos que una estación tiene que esperar para transmitir una trama de datos, una trama de gestión o una trama de control en el modo DCF (Operación de la Función de Coordinación Distribuida) del estándar IEEE 802.11.

Figura 2.1. Paquete de comunicación en el modo de acceso básico del estándar IEEE 802.11. Elaboración propia.

________________________________________________________________________________

20

En el presente trabajo solamente se analiza el consumo asociado al proceso de señalización entre los usuarios intentando establecer el Rendezvous utilizando RTS/CTS. De esta forma cada usuario con cada uno de sus radios irá acumulando tiempos de transmisión y recepción de paquetes RTS o CTS así como tiempos de espera o de inactividad acorde al papel que juegan los radios. De esta forma, al lograr el Rendezvous existirá un valor total para cada uno de estos tiempos que se asociará con la potencia que consumen los radios para realizar estas funciones de acuerdo con la fórmula de energía: 𝐸 = 𝑃 × 𝑡 donde P representa la potencia requerida por el dispositivo para realizar determinada función durante un período de tiempo

t.

2.1.1 Mecanismo de Señalización RTS-CTS

Cuando múltiples US comparten una misma banda de frecuencia, el acceso al espectro debe coordinarse de modo que se minimicen las colisiones y la interferencia mutua. La capa de control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control) es responsable de esta coordinación para el acceso controlado y ordenado al espectro. Dentro de los protocolos MAC más extendidos para redes inalámbricas se encuentra el estándar IEEE 802.11 (López, 2006), donde el acceso al canal inalámbrico es regulado a través del intercambio de mensajes de control RTS/CTS como se muestra en la Figura 2.2. Este proceso de señalización resulta imprescindible para completar el Rendezvous y debe garantizar el establecimiento de las condiciones necesarias para la comunicación entre los usuarios (Bordón and Montejo, 2015). La idea clave es que el transmisor y el receptor intercambiarán tramas de control entre sí antes de que el transmisor comience a enviar datos, permitiendo informar a todas las otras estaciones o nodos que una transmisión está por comenzar.

Cuando un usuario quiere enviar un paquete a otro dentro de la red, primero envía una trama de petición de envío (RTS, Request to Send), que incluye su identificación, la identificación del nodo destino y la longitud del paquete de datos. Si el receptor está en el rango de transmisión del usuario que realizó la petición, recibe el mensaje RTS y en caso de ser posible la comunicación, replica con un mensaje de aceptación de envío (CTS, Clear to Send). Si el mensaje CTS es recibido por el usuario transmisor, este inicia la transmisión de datos en el canal acordado por ambos usuarios y luego espera por el mensaje de reconocimiento (ACK,

________________________________________________________________________________

21 Acknowledgement) de recepción correcta de los datos. Cualquier nodo que escuche estos mensajes de control retrasa sus propias transmisiones hasta que finalicen las transmisiones en curso. Para limitar las colisiones, cada nodo mantiene un vector de transmisiones en curso que es actualizado cada vez que un mensaje RTS, CTS o ACK es recibido (Xu et al., 2003).

Figura 2.2. Intercambio de paquetes RTS/CTS. Adaptada de Figura 2 de (Ray et al., 2003).

2.1.2 Caracterización de radios cognitivos típicos

Los radios se encargan del proceso de señalización y son los componentes de mayor consumo energético dentro de un dispositivo típico de rastreo del espectro. Además trabajan en distintos modos de operación que se relacionan con las funciones que realizan y pueden resumirse en: transmisión, recepción e inactivo. La potencia que se consume durante el modo inactivo es muy pequeña en comparación con la del resto de los modos de operación, por lo que este estado, realmente, no representa una contribución significativa al cálculo de la energía. Los intervalos de tiempo durante los cuales el radio cognitivo se encuentra en espera

________________________________________________________________________________

22

de un paquete CTS o simplemente escuchando el canal, podrían clasificarse como intervalos de tiempo inactivo del dispositivo (Herrera, 2008).

Un radio cognitivo típico, utilizado en diversos sistemas (Gungor et al., 2010; Su and Alzaghal, 2008) es el CC2420 que constituye un único dispositivo capaz de transmitir y recibir simultáneamente de acuerdo con las especificaciones de la IEEE 802.15.4. Según el fabricante (T. Instruments, 2007) el CC2420 está diseñado para aplicaciones inalámbricas con bajos valores de voltaje y potencia. Además, es una solución altamente integrada y de bajo costo para las comunicaciones en la banda libre de 2.4GHz. Este dispositivo cuenta con un hardware extenso capaz de soportar el manejo de paquetes, la acumulación organizada de datos, la autenticación y encriptación de datos, la estimación de la capacidad del canal y la calidad del enlace. Este dispositivo consume 60µW de potencia en el estado inactivo, mientras en los estados de transmisión y recepción requiere de 57mW y 63mW de potencia respectivamente (Langendoen, 2008). En este dispositivo la potencia de recepción es mayor que la potencia requerida para la transmisión, sin embargo otros dispositivos de radio para redes RC típicos consumen mayor potencia para transmitir que para recibir. Un ejemplo de estos dispositivos lo constituye el radio cognitivo CC1000.

El CC1000 es un radio cognitivo que consume 75mW para la transmisión y 36mW para la recepción (Langendoen, 2008). En el estado inactivo la potencia requerida es de 100µW, mayor que la que consume el CC2420. Según el fabricante (T. Instruments, 2004), el CC1000 es, al igual que el CC2420, un dispositivo transmisor/receptor diseñado para aplicaciones inalámbricas con bajos valores de voltaje y potencia. Este dispositivo está destinado principalmente para trabajar en las bandas de frecuencia ISM (Industrial, Scientific and Medical) y SRD (Short Range Device) a 315, 433, 868 y 915 MHz, pero puede ser fácilmente programado para operar a otras frecuencias en el rango de 300 a 1000 MHz. Los principales parámetros de operación del CC1000 pueden ser programados por medio de un bus serial, lo que le confiere gran simplicidad y flexibilidad.

Tanto el CC2420 como el CC1000 constituyen un único dispositivo transmisor/receptor, mientras, el objetivo del presente trabajo es evaluar los algoritmos con múltiples radios, sin embargo estos radios anteriormente descritos presentan valores típicos para las potencias en

________________________________________________________________________________

23

los tres modos de operación. Es por ello que se consideran dispositivos con múltiples radios donde cada uno de los mismos emplea potencias de transmisión, recepción e hibernación similares a las que emplean los radios descritos.