Protocolos MAC en redes ad hoc de radio cognitiva con canal de control común dedicado

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES. Protocolos MAC en redes ad hoc de radio cognitiva con canal de control común dedicado. Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática. Maestría en Telemática. Autor: Ing. Andy Rodríguez Morales Tutores: Dr. C. Erik Ortiz Guerra Dr. C. Vitalio Alfonso Reguera. Santa Clara, Cuba, 2015.

(2) RESUMEN En las redes radio cognitivas ad hoc la comunicación entre los terminales es precedida por un proceso de señalización para acordar los recursos que se utilizarán en el intercambio de información. Una de las técnicas propuestas para este propósito es el empleo de un canal de control común dedicado. En el presente trabajo se realiza un estudio de los mecanismos de control de la comunicación en protocolos MAC para redes distribuidas de radio cognitiva que utilizan canal de control común dedicado. Para ello se modelan y simulan dos escenarios de radio cognitiva. En el primero se emplea un transceptor para la comunicación. Mientras que, en el segundo escenario los usuarios cognitivos utilizan dos transceptores: uno para realizar la función de señalización y el otro para el intercambio de los datos. El análisis se enfoca en la medición del número de colisiones, la eficiencia en la reserva del canal de control común y la tasa de paquetes de datos trasmitidos. Los resultados obtenidos muestran que cuando los nodos utilizan dos radios se mejora el comportamiento de las variables evaluadas. Esta mejora se hace menos significativa cuando las razones de transmisión son relativamente elevadas. En estas condiciones pueden ser utilizados terminales que posean un único transceptor, lográndose un desempeño satisfactorio con una menor complejidad del sistema.. Palabras Clave: radio cognitiva, protocolos MAC, canal de control común dedicado, simulación..

(3) ÍNDICE. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA ................................................................................................................ 5 1.1. Funciones de la Radio Cognitiva .............................................................................. 5. 1.1.1. Detección del canal de comunicaciones ............................................................ 5. 1.1.2. Asignación de recursos...................................................................................... 6. 1.1.3. Compartir el medio de comunicación inalámbrico .............................................. 6. 1.1.4. Movilidad del espectro ....................................................................................... 7. 1.2. Clasificación de los protocolos MAC ......................................................................... 8. 1.2.1. Acceso al espectro ............................................................................................ 9. 1.2.2. Estrategias para compartir el espectro............................................................. 10. 1.2.3. Canal de control .............................................................................................. 11. 1.2.4. Número de radios ............................................................................................ 12. 1.2.5. Técnicas de detección del espectro ................................................................. 12. 1.3. Retos generales en las CRAHN.............................................................................. 13. 1.3.1. Disponibilidad de recursos ............................................................................... 13. 1.3.2. Interferencia a los PU y error de detección ...................................................... 13. 1.3.3. Control de la detección .................................................................................... 13. 1.3.4. Negociación de Canales .................................................................................. 14. 1.3.5. Problemas con el CCC .................................................................................... 14. 1.3.6. Mecanismos de control de potencia................................................................. 15. 1.3.7. Mecanismos de coordinación para el acceso al espectro ................................ 16. 1.3.8. Movilidad de espectro ...................................................................................... 16. 1.4. Problemas a resolver en el acceso al canal ............................................................ 16. 1.4.1. Terminal oculto ................................................................................................ 17. 1.4.2. Terminal expuesto ........................................................................................... 17. 1.4.3. Terminal multicanal oculto ............................................................................... 17.

(4) ÍNDICE. 1.5. Protocolos MAC para CRAHN ................................................................................ 18. 1.6. Conclusiones .......................................................................................................... 20. CAPÍTULO 2. IMPLEMENTACIÓN DE MECANISMOS DE CANAL DE CONTROL COMÚN ADAPTADOS DE LA NORMA IEEE 802.11.......................................................................... 21 2.1. Modelo del sistema ................................................................................................. 22. 2.2. Función de Coordinación Distribuida del estándar IEEE 802.11 ............................. 22. 2.3. Adaptación de DCF IEEE 802.11 a CRAHN ........................................................... 24. 2.4. Entorno de simulación ............................................................................................ 26. 2.4.1. Modelo de simulación ...................................................................................... 27. 2.4.1.1 Nodos del modelo de simulación ................................................................. 27 2.4.1.2 Módulo de red .............................................................................................. 28 2.4.1.3 Módulo MAC ................................................................................................ 28 2.4.1.4 Módulo Físico .............................................................................................. 29 2.4.1.5 Canal de comunicaciones ............................................................................ 29 2.4.2 2.5. Escenarios de simulación ................................................................................ 29. Métricas de desempeño.......................................................................................... 31. 2.5.1. Número de colisiones ...................................................................................... 31. 2.5.2. Tasa de paquetes de datos trasmitidos ........................................................... 31. 2.5.3. Eficiencia en la reserva del CCC ..................................................................... 31. 2.6. Conclusiones .......................................................................................................... 32. CAPÍTULO 3. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN .......................... 33 3.1. Variación de la razón de generación de tráfico ....................................................... 33. 3.2. Variación del número de canales de datos ............................................................. 35. 3.3. Variación del número de nodos de la red RC .......................................................... 37. 3.4. Variación de la razón de transmisión de los nodos RC ........................................... 40. 3.5. Conclusiones .......................................................................................................... 42. CONCLUSIONES ................................................................................................................. 44 RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 45 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 46 ANEXOS............................................................................................................................... 53 Anexo 1: Glosario .............................................................................................................. 53 Anexo 2: Ficheros de configuración de los escenarios de simulación................................ 54 iii.

(5) ÍNDICE. Variación de lambda ...................................................................................................... 54 Variación del número de canales de datos .................................................................... 55 Variación del número de nodos secundarios ................................................................. 56 Variación de la razón de transmisión de los nodos secundarios .................................... 57. iv.

(6) INTRODUCCIÓN. El espectro de radiofrecuencias es un recurso natural limitado que permite la comunicación inalámbrica entre transmisores y receptores de radio [1]. La demanda de este recurso se ha visto altamente incrementada en las últimas dos décadas debido a la aparición de nuevos productos y servicios inalámbricos. Sin embargo las políticas de asignación fija de frecuencias constituyen un cuello de botella que frena el uso eficiente de este recurso [2]. Según los análisis de [3], [4] el diagrama de distribución de frecuencias revela que la mayoría de las bandas han sido ya asignadas y esta distribución estática causa espacios en blanco tanto temporales como geográficos en las bandas certificadas [5]. Sondeos llevados a cabo por la Comisión Federal de Comunicaciones (Federal Communications Commission, FCC) de Estados Unidos de América han demostrado que gran parte del espectro asignado está subutilizado [6]. Específicamente en [7] y [8] se plantea que más del 70% del espectro que ha sido concedido se encuentra sin explotar. En [9] se afirma que solo el 6% del espectro destinado a servicios primarios está siendo totalmente aprovechado. Uno de los ejemplos más ilustrativos de la baja utilización del espectro radioeléctrico, expuesto en [10], está referido a la banda de televisión. La Radio Cognitiva (RC) surge en este escenario como una vía para mejorar la eficiencia en el uso del espectro radioeléctrico mediante la explotación de las oportunidades espectrales tanto en las bandas autorizadas como en las no autorizadas. Esta tecnología se define como una radio que posee la capacidad de cambiar sus parámetros de transmisión y recepción basada en la interacción con su entorno [11]. De esta manera, se pueden reutilizar las zonas de frecuencias asignadas, en los nuevos servicios que van apareciendo. La RC se utiliza en entornos de radio multicanales en los cuales los usuarios no autorizados o secundarios (Secondary Users, SU) acceden de manera oportunista al espectro sin causar interferencias a los usuarios autorizados, también conocidos como usuarios primarios (Primary Users, PU). Las redes RC pueden ser centralizadas o distribuidas. Las centralizadas se caracterizan por la presencia de una entidad central, llamada comúnmente estación base (Base Station, BS), la cual desempeña las funciones de establecimiento y mantenimiento de sincronismo de la red y la administración de los mecanismos de detección del espectro y de acceso al medio. Las redes RC distribuidas, también conocidas como redes RC ad hoc (Cognitive Radio Ad Hoc Networks, CRAHN), no poseen una entidad central por lo cual las funciones anteriormente mencionadas son llevadas a cabo de forma distribuida siguiendo diferentes protocolos situados en la capa de control de acceso al medio (Medium Access Control, MAC). La RC es objeto de varias investigaciones, tales como: esquemas de modulación de señales para entornos multicanales [12], [13], detección eficiente del espectro radioeléctrico [14]–[22],.

(7) INTRODUCCIÓN. mecanismos de control de potencia [23], protocolos MAC [24]–[35], algoritmos de ruteo [36], diseño de protocolos de transporte [37], sistemas de coexistencia entre protocolos de RC [38]–[40], etc. Los protocolos MAC en las CRAHN revisten especial importancia porque son los encargados de hacer cumplir los mecanismos que posibilitan compartir el medio de comunicación que en este caso es único para todos los terminales. Ellos son además los encargados de permitir una comunicación fiable y sin interrupciones entre los SU, con un mínimo de interferencias a los PU. En las CRAHN, antes de cada comunicación, entre los terminales se realiza un proceso de señalización para acordar los recursos que se utilizarán en el intercambio de información. Esta negociación puede realizarse de varias maneras [41]–[44]. Una de ellas es utilizar un canal de control común (CCC) dedicado a través del cual se intercambia toda la información de señalización de la red. Existen protocolos MAC donde se utiliza un solo radio [45], [46] y otros protocolos donde se utilizan varios [47], [48]. Cuando se utilizan varios radios, generalmente, se emplea uno que se sintoniza en el CCC con lo cual se mantiene actualizada una representación de topología de la red en cada SU. Sin embargo la utilización de varios radios hace que la implementación sea más compleja y costosa. Con el empleo de un solo radio se logra un menor consumo de energía pero hace que sea más compleja la coordinación entre los nodos y presenta en la gran mayoría de los casos el problema del terminal multicanal oculto, tratado en el cuerpo de este trabajo. Con la actual investigación se pretenden obtener parámetros de desempeño de las CRAHN que permitan cuantificar los efectos del empleo de uno y dos radios en protocolos MAC que realizan la señalización empleando CCC dedicado. Por lo anterior expuesto surge como problema científico de la investigación: ¿Qué impacto tiene el empleo de uno y dos radios en el desempeño de los protocolos MAC utilizados en las CRAHN que operan con CCC dedicado? El objeto de investigación de este trabajo son las CRAHN y el campo de acción son los protocolos MAC en CRAHN. Para responder a la interrogante planteada se define como objetivo general evaluar el efecto del empleo de uno y dos radios en protocolos MAC para CRAHN con CCC dedicado. Para alcanzar este objetivo general se proponen los siguientes objetivos específicos: . Caracterizar los protocolos MAC en las CRAHN.. . Identificar los principales retos presentados en los protocolos MAC para CRAHN.. . Exponer posibles soluciones a los retos identificados.. . Confeccionar un entorno de simulación para el estudio de protocolos MAC para CRAHN con CCC dedicado.. 2.

(8) INTRODUCCIÓN. . Comparar el desempeño de protocolos MAC con CCC dedicado que empleen uno y dos radios utilizando el entorno de simulación creado.. Estos objetivos específicos están destinados a dar respuesta a las preguntas científicas siguientes: . ¿Cuáles son las características fundamentales de las CRAHN?. . ¿Cuáles son los principales retos que presentan los protocolos MAC en CRAHN?. . ¿Cómo pueden ser resueltos los retos identificados?. . ¿Qué métricas emplear para la evaluación de los protocolos MAC en las CRAHN con CCC dedicado?. . ¿Cuáles son los beneficios e inconvenientes del uso de nodos que emplean uno o dos radios para los protocolos MAC en las CRAHN que utilizan un CCC dedicado?. La presente investigación proporcionará un estudio de los mecanismos de control de acceso al medio en CRAHN. Permitirá además cuantificar el impacto que produce el empleo de uno y dos radios en el desempeño de los protocolos MAC para CRAHN con CCC dedicado. El entorno de simulación que se confeccionará podrá ser empleado como plataforma para llevar a cabo evaluaciones de mecanismos de control de acceso al medio no tratados en este trabajo. La evaluación de protocolos MAC para CRAHN con CCC dedicado se realizará utilizando simulación. El software elegido para este propósito es el OMNeT++ 4.4.2 que permite implementar los terminales de RC. El empleo de simulación para el análisis constituye una solución viable, práctica y de bajo costo para esta investigación. Por otro lado, la simulación ha demostrado ser una herramienta vital para el proceso de investigación permitiendo reducir los costos de la misma sin hacer grandes sacrificios en cuanto a la validez y veracidad de sus resultados. Con la culminación de esta investigación se contará con un material que reúna las principales características de los protocolos de acceso al medio para redes CRAHN así como un estudio comparativo sobre el impacto del empleo de uno y dos radios en los protocolos MAC para este tipo de redes que utilicen CCC dedicado. El informe está formado por la introducción, el desarrollo organizado en tres capítulos, las conclusiones, seguido de las recomendaciones relativas a investigaciones futuras, finalmente las referencias bibliográficas y anexos.. Capítulo I Se realiza una descripción de las CRAHN a partir de sus rasgos generales. Se caracteriza la capa MAC de estas redes a través de una clasificación de los protocolos MAC existentes. Se abordan los principales retos en el diseño de protocolos para esta capa. Por último se expone brevemente como algunos autores han dado solución a los retos identificados. 3.

(9) INTRODUCCIÓN. Capítulo II Se describe el modelo del sistema que se utiliza para la evaluación. Se explica el funcionamiento del mecanismo Función de Coordinación Distribuida de IEEE 802.11 el cual constituye una referencia para protocolos MAC en redes inalámbricas y es empleado en varios protocolos MAC para CRAHN. Se hace una adaptación del mecanismo mencionado para su uso en CRAHN en escenarios con nodos cognitivos provistos de un único transceptor y de nodos provistos con dos transceptores donde uno es empleado exclusivamente para el intercambio de información de control en el CCC. Se describe el modelo de simulación empleado en la investigación a partir de la configuración de los diferentes módulos creados con este fin. Son presentados los escenarios de simulación que serán utilizados para la evaluación. Se definen las métricas de desempeño que permitirán valorar los efectos de emplear uno o dos radios en protocolos MAC de RC.. Capítulo III Los resultados de la simulación de los escenarios descritos son presentados y discutidos. Las gráficas obtenidas permiten conocer el comportamiento de cada variante de forma individual y además posibilita realizar la comparación entre ambas. Posteriormente se presentan las conclusiones sobre el desempeño de protocolos MAC extraídas de cada uno de los escenarios considerando las diferencias entre ellos.. 4.

(10) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA En los últimos años el vertiginoso desarrollo de la tecnología ha devenido en una proliferación exponencial de servicios, aplicaciones y dispositivos inalámbricos y móviles. Esto trae aparejado que el espectro de radiofrecuencias se ha ido agotando cada vez más, lo cual constituye un freno para el desarrollo actual y futuro de estas ramas tecnológicas. Tradicionalmente el espectro de frecuencias ha sido concedido siguiendo políticas de asignación estática a través de autorización, permiso o licencia de uso a largo plazo para diferentes aplicaciones, servicios o usuarios. En este escenario aparece la RC, propuesta por primera vez en [49] por Joseph Mitola y Gerald Q. Maguire. La RC logra aumentar la eficiencia del espectro ya que permite a los nodos equipados con esta tecnología acomodar los parámetros de transmisión y recepción con el objetivo de adaptarse al entorno y no interferir así las transmisiones de los servicios primarios y de otros servicios secundarios. En este capítulo se abordarán las principales características de las redes RC. Se hace además una clasificación de los tipos de redes RC recogidas en la literatura, tomando como referencia características y parámetros distintivos de estas redes. Luego se abordan los principales retos de diseño para los protocolos MAC de RC. Por último se hace referencia a varios protocolos MAC que han sido propuestos para CRAHN y se menciona cómo estos han resuelto algunos de los problemas presentados.. 1.1 Funciones de la Radio Cognitiva La capa de control de acceso al medio cumple un importante rol en un modelo de red RC ya que en ella son realizadas funciones imprescindibles para el funcionamiento de dicha red: detección del canal de comunicaciones, asignación de recursos, compartir el medio de comunicación inalámbrico y movilidad del espectro [50]–[52].. 1.1.1 Detección del canal de comunicaciones La detección precisa del canal de comunicaciones es una de las tareas más importantes en el funcionamiento de un nodo RC. A través de este proceso se obtienen los datos necesarios del entorno que permiten identificar las oportunidades de comunicación para los SU dentro de las bandas de frecuencias asignadas a PU. Los SU pueden explotar las bandas del espectro cuando estas no están siendo utilizadas por los PU, y deben continuar sondeando el estado de los PU para dejar vacante el medio una vez que estos reaparezcan [19]. Existen dos aproximaciones principales para las técnicas de detección del espectro [53]: . Detección del transmisor primario..

(11) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. . Detección del receptor primario.. La detección del transmisor primario está basada en la detección de la señal que proviene del transmisor primario a través de la observación local de los SU. La detección del receptor primario tiene como objetivo los PU que se encuentran recibiendo datos dentro del área de comunicación de los SU. Usualmente para esta aproximación se explota la potencia de la onda de radiofrecuencia emitida por el oscilador local del PU en cuestión. Este método solo es realizable para la detección de los receptores de televisión [53]. El procedimiento de detección del transmisor primario tiene mayor sentido práctico por lo cual es el más empleado en los sistemas de RC.. 1.1.2 Asignación de recursos El proceso de detección generalmente ofrece como resultado la disponibilidad de varios recursos espectrales de desigual calidad. La asignación de recursos tiene como objetivo conceder a los nodos secundarios las oportunidades del medio inalámbrico de manera que se maximice el desempeño de la red RC y sin que esta constituya un obstáculo para la red primaria. Para cumplir esta función se debe realizar la decisión de cuáles son los recursos más adecuados para cada nodo de la red secundaria. Se logra una decisión más efectiva en tanto más preciso sea el proceso de detección y en cuanta más información del estado de la red tenga la entidad o entidades secundarias que adjudican los recursos disponibles. De forma general, los principales recursos que deben ser asignados son los canales disponibles y la potencia de transmisión permitida. La asignación de canales es responsable de conceder las frecuencias y el ancho de banda pertinentes. La asignación de potencia es la encargada de administrar la potencia de transmisión de los SU de manera que sean satisfechos los límites de interferencia a los PU.. 1.1.3 Compartir el medio de comunicación inalámbrico La capa MAC de un sistema RC debe proporcionar el soporte para un acceso dinámico y eficiente al espectro y una asignación de recursos que tengan como objetivo incrementar el desempeño total de la red secundaria. Para esto deben emplearse técnicas avanzadas e inteligentes de uso compartido del espectro que permitan mantener los requerimientos de calidad de servicio (Quality of Service, QoS) a través de estrategias de supresión de interferencias PU-a-SU y SU-a-SU. Además, compartir eficientemente el espectro sirve como una herramienta para la protección del sistema primario [24]. En un entorno de uso oportunista del espectro, en la medida que puede haber muchos terminales secundarios móviles, una gestión de recursos no es óptima si se hace a nivel individual, por lo que debe realizarse de forma colectiva ya que otros terminales secundarios podrían estar detectando las mismas bandas disponibles. En la sección 1.2.1 se abordan las estrategias principales de acceso al espectro que permiten que este sea compartido por varios SU de manera no intrusiva a los PU. 6.

(12) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. 1.1.4 Movilidad del espectro La movilidad del espectro es una de las principales propiedades que debe poseer un nodo RC. Es una característica que facilita la transparencia de los SU frente a los PU. Además puede ser empleada para incrementar el desempeño de la red RC a través del movimiento de los SU a canales con mayor QoS. La manera de proveer movilidad en una red RC es a través de la transferencia de espectro. La Figura 1.1 representa este concepto. Según [24] existen cuatro maneras de realizar la transferencia de espectro: transferencia estática, reactiva, proactiva e híbrida.. Figura 1.1: Concepto de movilidad del espectro. (Fuente: [50]). Trasferencia estática: es la más ineficiente de todas. En ella el SU se mantiene en el mismo canal hasta que concluya la comunicación primaria. Esta variante se caracteriza por una alta latencia que varía en dependencia de la actividad de los PU. Trasferencia reactiva: consiste en dejar vacante el canal una vez que aparece un PU y pasar a otra porción del espectro disponible. La eficiencia de este mecanismo está estrechamente relacionada con la latencia de cambio de espectro. Esta latencia está definida como el tiempo que requiere un SU para descubrir y cambiarse a otro canal. Transferencia proactiva: esta variante es empleada en [54]. En ella se utilizan métodos predictivos cuando el SU debe abandonar el canal en el que se encuentra. Una ventaja significativa de este tipo de transferencia de espectro es la baja latencia de cambio. Además se minimiza el número de futuros cambios de espectro debido al proceso predictivo. Como desventaja se debe notar que una pobre predicción puede reducir severamente el desempeño de la red. Por otra parte los procesos de aprendizaje y predictivo demandan dispositivos con una alta capacidad de procesamiento debido al incremento de la complejidad computacional. 7.

(13) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. Trasferencia híbrida: representa un compromiso entre la alta latencia de la modalidad reactiva y la alta complejidad de la proactiva. Un ejemplo de esta variante es el protocolo de recuperación ante la detección de primarios (Incumbent Detection Recovery Protocol, IDRP). Este protocolo utiliza una detección proactiva y una decisión reactiva. En cada nodo se almacena una lista de posibles canales de respaldo la cual es periódicamente actualizada. Cuando un canal debe dejarse libre, el SU cambia al más apropiado de la lista sin tener que explorar otras oportunidades. La Figura 1.2 ilustra los cuatro tipos de transferencias abordados anteriormente.. Figura 1.2: Tipos de transferencia de espectro. (Fuente: [24]). 1.2 Clasificación de los protocolos MAC Las redes RC según su topología pueden ser centralizadas o distribuidas [55]. Las redes centralizadas (Figura 1.3 (a)) se caracterizan por la presencia de una entidad central, llamada comúnmente BS, la cual desempeña las funciones de establecimiento y mantenimiento de sincronismo de la red y la administración de los mecanismos de detección del espectro y de acceso al medio. Las redes RC distribuidas (Figura 1.3 (b)), también conocidas como CRAHN, no poseen una entidad central por lo cual las funciones anteriormente mencionadas son llevadas a cabo de forma distribuida siguiendo diferentes protocolos situados en la capa MAC. El presente trabajo se enfoca en los protocolos MAC para CRAHN. Los protocolos MAC en CRAHN pueden ser clasificados atendiendo a varios criterios que dependen de las características generales de la RC.. 8.

(14) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. (a). (b). Figura 1.3: Topologías para redes RC. (a) Centralizada. (b) Distribuida. (Fuente: [56]). 1.2.1 Acceso al espectro Según [50], [53], [57] existen tres modos de acceso al espectro: aleatorio, de ranuras de tiempo e híbrido. El modo aleatorio [45], [47], [58], [59] no necesita sincronismo y generalmente está basado en el principio de Acceso Múltiple con Detección de Portadora y Prevención de Colisiones (Carrier Sense Multiple Access with Collisions Avoidance, CSMA/CA). Aquí el SU monitorea las bandas del espectro para detectar si existe una transmisión de otro SU y transmite luego de un tiempo, denominado backoff, para prevenir transmisiones simultáneas. El modo de ranuras de tiempo [60] necesita un alto sincronismo entre los nodos de la red [3], [53]. En esta técnica un segmento fijo de tiempo es asignado a cada usuario y esta fracción es a su vez divida en una ranura para la fase de control y otra para la fase de intercambio de datos. El modo híbrido [48], [61]–[63] combina características de los modos anteriores y posee dos aproximaciones principales: . Una, en la que generalmente existe una ranura para la fase de control; sin embargo las transmisiones de datos poseen un esquema de acceso aleatorio al canal, sin sincronismo de tiempo.. . Y otra, en la cual las duraciones para el control y la transferencia de datos tienen un tamaño predefinido lo cual constituye una supertrama que es común a todos los usuarios de la red RC. Durante el control o la transferencia de datos el acceso al canal se logra de forma aleatoria.. 9.

(15) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. De forma general los protocolos basados en métodos de acceso aleatorio poseen una arquitectura más sencilla que el resto de este tipo de protocolos. Sin embargo, la eficiencia en la utilización del espectro y el desempeño de la red son usualmente bajos debido al alto número de colisiones y la competición ineficiente del espectro. Los protocolos de ranuras de tiempo proporcionan un mejor desempeño comparado con los aleatorios y los híbridos; sin embargo el diseño de estos protocolos es el más complejo debido a una serie de complicaciones que deben ser consideradas tales como los mecanismos de sincronismo y los mecanismos de asignación de ranuras. Los protocolos híbridos establecen una relación de compromiso entre los protocolos de acceso aleatorio y los de ranuras de tiempo. Por esta razón el desempeño de los protocolos híbridos suele ser mejor que el de los aleatorios y la complejidad es menor que la de los de ranuras de tiempo [57].. 1.2.2 Estrategias para compartir el espectro Existen tres estrategias para compartir el espectro: underlay, interweave y overlay [3], [64]. En el modo underlay [65] los SU tienen permitido transmitir al mismo tiempo que los PU mientras la interferencia a estos sea mantenida por debajo de un umbral [3]. Para esto generalmente se utiliza como parámetro de referencia la temperatura de ruido límite que puede interferir en la red primaria sin afectar la comunicación. Usualmente se emplean técnicas de espectro extendido con el objetivo de utilizar un amplio ancho de banda y una baja potencia de transmisión. Este modo de compartir el espectro tiene como ventaja que no es necesario el proceso de detección por parte de los SU. La principal desventaja consiste en que las distancias entre el transmisor y el receptor son cortas debido a la baja potencia de transmisión. En el modo interweave [45], [48], [63], [66] los SU identifican y explotan los espacios del espectro disponibles sin interferir a los PU [67]. En esta variante no existen severas limitaciones de potencia de transmisión para los SU, sino que se controla el momento y la porción del espectro en el cual estos deben transmitir. Para este modo es imperativo un proceso de detección del espectro previo al acceso al canal por parte de los SU. Si luego de un SU acceder al canal se detecta la intervención de un PU este canal debe ser dejado libre por el SU de manera inmediata para evitar la interferencia a la comunicación primaria. La premisa fundamental para el modo overlay es que el transmisor secundario tiene conocimiento de la codificación empleada por el transmisor primario y del mensaje enviado por este. El tipo de codificación puede ser conocida si en la red primaria se utiliza un estándar publicado para la comunicación o si la red primaria difunde periódicamente su tipo de codificación. El mensaje primario puede ser conocido a través de la decodificación de este en el terminal secundario. En este modelo se asume que el transmisor secundario conoce el mensaje primario cuando el PU comienza a transmitir. Esto puede suceder cuando ocurren retransmisiones por parte del transmisor primario debido a desvanecimientos o interferencias en el receptor primario. Otra variante pudiera ser un escenario de cooperación en el cual el transmisor primario enviara el mensaje al transmisor secundario previamente a su transmisión. El SU puede utilizar la información mencionada y asignar parte de su potencia para la transmisión propia y el resto para asistir la transmisión primaria. 10.

(16) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. Seleccionando de forma precisa la división de la potencia, el incremento en el PU de la SNR debido a la asistencia del SU puede ser exactamente cancelada por el decremento en el PU de la SNR causada por la potencia que emplea el SU para su propia comunicación. Esto garantiza que el PU mantenga su razón de transmisión mientras parte de la potencia del SU es utilizada para su propia comunicación [64].. 1.2.3 Canal de control En una red RC los SU primeramente deben intercambiar la información de señalización necesaria [26]. Este proceso se realiza utilizando un medio común por el cual se intercambian mensajes de control. Este medio es conocido como canal de control común (CCC) [68]. En una red RC el CCC es utilizado para realizar varias funcionalidades a través del intercambio de mensajes de control. Este puede ser empleado para intercambiar los mensajes de establecimiento, mantenimiento, completamiento y fallo de una comunicación. Además facilita el descubrimiento de vecinos, la negociación de acceso al canal y la actualización de información de ruteo y cambio de topología [69]. A través de este canal los SU pueden intercambiar la información de detección local con el objetivo de que esta sea integrada con la del resto de los SU y así lograr una mejor detección de los PU. En la Figura 1.4 se muestra una clasificación de las variantes de CCC empleadas en las redes RC.. Figura 1.4: Clasificación atendiendo al CCC. (Fuente: Adaptado de: [68]). Un CCC underlay [13], [43] utiliza técnicas de espectro extendido lo que permite que el canal puede estar ocupado por PU sin afectar notablemente el desempeño del mismo. Esta modalidad utiliza transmisiones de banda ultra-ancha (ultra-wideband, UWB) en las cuales la potencia de transmisión es relativamente baja y está distribuida en un amplio espectro, por lo que la actividad de los SU aparece como ruido para los PU. En el caso de overlay [42], [45], [46] el CCC se establece de forma permanente o temporal en regiones del espectro no ocupadas por los PU. 11.

(17) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. Dentro del CCC overlay existen las variantes de canal en banda y canal fuera de banda. Los CCC ubicados en los canales de datos son llamados CCC en banda [68]. Los CCC fuera de banda [60], [70] utilizan un canal dedicado el cual se asume libre de interferencias. Este canal puede ser legalmente autorizado o no a la red RC. Para los CCC en banda puede utilizarse la modalidad basada en secuencia de saltos o la basada en grupos. En la variante de secuencia de saltos [71], [72], cada nodo cognitivo emplea una secuencia de saltos de frecuencia que garantiza el encuentro en uno de los canales disponibles [41]. Para el método basado en grupos [60] la red es dividida en grupos teniendo en cuenta la disponibilidad de canales y en cada uno de los grupos se establece un CCC.. 1.2.4 Número de radios Otro criterio en la clasificación de los protocolos MAC para CRAHN es el número de radios empleados. Existen protocolos donde se utiliza un solo radio [45], [46] y otros protocolos donde se utilizan varios [47], [48]. Cuando se utilizan varios radios, generalmente, se emplea uno que se sintoniza en el CCC con lo cual se mantiene actualizada una representación de topología de la red en cada SU. Sin embargo la utilización de varios radios hace que la implementación sea más compleja y costosa. Con el empleo de un solo radio se logra un menor consumo de energía pero hace que sea más compleja la coordinación entre los nodos y presenta en la gran mayoría de los casos el problema del terminal multicanal oculto, descrito en la sección 1.4.3.. 1.2.5 Técnicas de detección del espectro Para hacer el sondeo del espectro pueden emplearse técnicas de detección cooperativa o de detección local [73]. En la detección cooperativa [60], [66], [74]–[76] la información obtenida de este proceso en cada nodo es distribuida por la red. En la detección local [45], [47], [74], [77] solo los resultados de la detección del propio nodo son utilizados para explotar el espectro disponible. La detección local brinda poca precisión lo cual conlleva a errores en el proceso de compartir el espectro con los PU. Esto trae consigo que aumenten las interferencias para la red primaria. No obstante, generalmente la detección local es más sencilla de diseñar y requiere pocas capacidades en cuanto a recursos de hardware en los SU. Con la detección cooperativa se logra un desempeño mayor de la red RC por el incremento de la eficiencia del espectro y se proporciona una mejor precisión de la detección. Sin embargo con estos beneficios viene aparejado un incremento de la carga de tráfico, aumento de la complejidad del sistema, mayor consumo de potencia, necesidad de canales de señalización para la diseminación de la información de señalización y demanda de SU con mayor tasa de transmisión de paquetes. A lo anterior se le suma que para logar el resultado de la detección es necesario el empleo de una mayor cantidad de tiempo [78].. 12.

(18) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. 1.3 Retos generales en las CRAHN Las redes RC están sometidas a la operación en un espectro heterogéneo y continuamente cambiante. A esto se suman los desafíos que poseen las redes de radio multicanales tradicionales, por lo cual el diseño de las redes RC se hace muy complejo. A continuación son abordados retos que afrontan los protocolos MAC en las CRAHN.. 1.3.1 Disponibilidad de recursos En las redes RC la disponibilidad del espectro depende de la actividad de los PU; sin embargo esta actividad es desconocida con antelación por los SU, por lo cual constituye un reto mantener la robustez del sistema ante la incertidumbre de recursos a la que se expone la red RC. Este reto puede ser parcialmente mitigado utilizando técnicas de detección avanzadas. Sin embargo, aunque han sido desarrolladas varias técnicas de detección del espectro, en la práctica este proceso no está libre de errores [18], [79], [80]. Además, el espectro observado por los SU puede ser desigual debido a su situación geográfica y/o a errores cometidos en la detección, por lo que es un desafío para la red RC entablar comunicaciones ante esta heterogeneidad espectral en los nodos de la red.. 1.3.2 Interferencia a los PU y error de detección Aunque idealmente los SU deben evitar la interferencia a los PU, debido a los errores de detección es imposible lograr este objetivo totalmente [18], [80], [81]. Los PU poseen un umbral de interferencia por encima del cual la comunicación comienza a degradarse. El reto para la RC consiste en mantener este nivel de interferencia a los PU por debajo de dicho umbral.. 1.3.3 Control de la detección La detección de los canales de operación es necesaria para prevenir las interferencias a los PU, sin embargo esto tiene un costo tanto de tiempo como de procesamiento. Debido a las restricciones en el hardware de los SU, llevar a cabo la detección de todos los canales no es una tarea simple. En una arquitectura distribuida es incluso más complicado ya que no se cuenta con una entidad central que coordine la detección en los diferentes SU [78]. Teniendo en cuenta los aspectos planteados, existen varios retos en el proceso de control de la detección en la RC: Coordinación de la detección: el mecanismo de detección de energía es el más utilizado en las CRAHN [68]. Con el uso de esta técnica los SU no pueden distinguir entre una transmisión de un PU o de otro SU. Por esta razón para que el proceso de detección sea fiable, este debe ser llevado a cabo durante los periodos de silencio de los SU. Esto permite que la potencia detectada sea solo de los PU. Sin embrago en ausencia de sincronización, especialmente en sistemas distribuidos, esta coordinación es difícil de llevar a cabo en la 13.

(19) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. capa MAC. Además, debido a la imposibilidad de detectar todos los canales, es necesario realizar una decisión sobre cuántos y cuáles canales serán detectados [53]. Diseminación de la información de detección: Para aumentar la eficacia del proceso de detección, las mediciones de varios SU deben ser integradas. Sin embargo el intercambio de esta información puede constituir una sobrecarga de tráfico y procesamiento que puede interferir con la comunicación de datos. Además es necesario también considerar la latencia derivada del proceso de recolección de información de detección, por lo que se debe establecer un compromiso entre una detección con mayor información o la rapidez con la que esta se realiza. Duración óptima de la detección: La asignación de los tiempos de detección y de transmisión es un importante compromiso entre asegurar la protección a los PU y maximizar la razón de transmisión. Estos tiempos deben ser cuidadosamente escogidos para asegurar una QoS a los SU y prevenir la degradación del desempeño de la red primaria [53]. Otro aspecto importante es la frecuencia con la cual debe ser ejecutada la detección, la cual se debe realizar la menor cantidad de veces necesarias con el objetivo de aumentar el tiempo de comunicación.. 1.3.4 Negociación de Canales De forma general en una red RC no todos los SU observan los mismos canales disponibles, por lo cual, antes de llevar a cabo el intercambio de información de datos, es necesaria la negociación del canal o los canales por el cual o los cuales se establecerá este intercambio. Para realizar esta función los SU realizan un intercambio de mensajes de control para establecer cuál o cuáles serán los canales de la comunicación de datos. La cantidad y tamaño de estos mensajes son un elemento crítico que atenta contra el desempeño de la red por lo que deben elegirse algoritmos que logren mantener estos dos valores lo menor posible.. 1.3.5 Problemas con el CCC La utilización de CCC en la RC es imprescindible; sin embargo trae consigo varios retos que deben ser considerados en el momento del diseño de este medio común. Establecimiento del CCC: los usuarios de RC deben optimizar sus canales basados en ciertos parámetros como la calidad del canal, el tiempo de acceso, la actividad de PU observada, la carga de la red, etc. Sin embargo estos parámetros son desconocidos antes de iniciar la operación de la red, y por tanto, es un reto elegir un CCC con la mínima o ninguna información de la red [69]. Saturación: Se refiere al fenómeno de degradación del desempeño de la red inalámbrica cuando la razón de colisión de paquetes de control es considerable debido a la alta carga de tráfico [68]. Este fenómeno es más común en redes con un CCC dedicado ya que en dependencia del tamaño de la red, el ancho de banda del canal y la carga de tráfico, puede que la capacidad del CCC no sea suficiente para atender todo el tráfico de control. Se deduce entonces que aunque la capacidad de los canales de datos esté subutilizada, si el 14.

(20) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. CCC se satura, no se podrán establecer las comunicaciones de datos y el desempeño de la red se verá disminuido. Seguridad: Cuando se utiliza un CCC dedicado este puede ser objetivo de ataques de seguridad como interferencias, las cuales limitan la capacidad del canal y pueden derivar en la denegación de servicios (Denial of Service, DoS) [82]. Otro problema de seguridad se presenta también con este tipo de CCC ya que la información de control puede ser fácilmente interceptada y manipulada por un atacante. Para solucionar este problema la información de control debe ser transmitida en formato encriptado [52], [83]. El método de encriptación elegido debe proveer los servicios de autenticación, confidencialidad e integridad. Es necesario entonces un nivel de compromiso entre el aumento de la seguridad del CCC y la carga que implica la aplicación de estas técnicas. Cobertura del CCC: La cobertura se refiere al área en la cual los SU son sintonizados a un mismo CCC para el intercambio de información de control [68]. Lograr que el CCC tenga una cobertura que abarque toda la red solo es posible en redes extremadamente pequeñas por lo cual esta aproximación se considera impráctica para redes con varios nodos. Es entonces un reto el intercambio de información de control entre los grupos en una red basada en grupos donde la cobertura del CCC se limita solo a un conjunto de nodos de la misma. En las redes con CCC basado en secuencia de saltos la cobertura de este es generalmente por pares, por lo cual mantener una representación de la topología de la red en cada nodo es extremadamente difícil. Robustez del CCC ante actividad de PU: En las redes RC es un desafío mantener el CCC entre los nodos secundarios ya que el espectro que este utiliza puede ser interrumpido por PU. Es necesario entonces implementar algoritmos que permitan que el CCC pueda ser restablecido en otra porción del espectro con la menor afectación a los PU. Uno de los principales retos en estos algoritmos es que el tiempo de restablecimiento del CCC sea pequeño para minimizar también el deterioro al desempeño de la red RC. Otro desafío es tratar de que el nuevo CCC elegido por el algoritmo posea la menor probabilidad posible de ser perturbado nuevamente por la actividad de PU. Tiempo para encuentro (Time to Rendezvous, TTR): En un modelo de CCC basado en secuencia de saltos el tiempo que demoran en encontrarse dos nodos en determinado canal se denomina tiempo para encuentro [41]. Es deseado que este parámetro sea lo menor posible ya que es uno de los elementos principales que definen la eficiencia de la red RC. Es un reto la creación de algoritmos que cumplan con esta condición que depende, entre otros factores, del número de canales disponibles y de la heterogeneidad geográfica del espectro.. 1.3.6 Mecanismos de control de potencia Los mecanismos de control de potencia reducen la interferencia mutua entre nodos vecinos, aumentan la eficiencia en la reutilización espacial del espectro y mejoran significativamente la razón de transmisión de la red. Además, pueden ayudar a los usuarios a ahorrar energía, lo cual es muy importante en sistemas limitados por potencia [73].. 15.

(21) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. En la implementación de estos mecanismos debe ser considerado el umbral de interferencia de la red primaria por lo cual debe mantenerse un compromiso entre aumentar la potencia de los SU y mejorar así la relación señal a ruido en los receptores secundarios, o disminuirla para cumplir con la relación señal a interferencia de los receptores primarios. En sistemas limitados por potencia, según [84], la mejor manera de ahorrar energía es eliminar las fuentes de gastos de esta, como colisiones de paquetes, aumento de escucha del entorno y gastos generales en el control de la comunicación.. 1.3.7 Mecanismos de coordinación para el acceso al espectro Una CRAHN no posee una entidad central que realice las coordinaciones para el acceso al espectro por lo que inevitablemente se producirán colisiones entre los contendientes del canal, lo cual disminuye significativamente el desempeño de la red [73]. Es, por tanto, función del protocolo MAC utilizar mecanismos de coordinación que mantengan el número de colisiones al mínimo. Los espacios de “frecuencias libres” no están reservados para ningún sistema de RC en particular. Como consecuencia varios sistemas de RC pueden utilizar la misma banda para su operación. En estos casos la detección de los SU de las CRAHN vecinas es muy importante para habilitar decisiones optimizadas cuando se seleccionen los canales de operación [85]. En estos escenarios unas CRANH pueden crear interferencias sobre las demás lo cual puede traer consigo la degradación de la señal e incluso la imposibilidad de transmisión. Los mecanismos que se encargan de evitar estas situaciones son denominados mecanismos de coexistencia.. 1.3.8 Movilidad de espectro La variación del espectro debido a la movilidad geográfica de los SU y a la actividad de los PU conlleva a que sean necesarios cambios de frecuencia de los usuarios cognitivos para evitar las interferencias a los usuarios autorizados, aspecto tratado en [86]. Una vez que es preciso realizar un cambio de frecuencia, según [87], se debe consumir cierta cantidad de tiempo hasta que los nodos cognitivos se sintonicen a otra frecuencia de operación. Tratar que el tiempo de cambio sea lo menor posible constituye un desafío de diseño. Elegir un nuevo canal para realizar un cambio de frecuencia es la tarea más acuciante relacionada con la movilidad en el espectro [88], ya que depende de varios factores como la capacidad del canal, su disponibilidad en el momento del cambio y la probabilidad de que siga estando disponible en el futuro.. 1.4 Problemas a resolver en el acceso al canal Los fenómenos de terminal oculto, terminal expuesto y terminal multicanal oculto son complicaciones de acceso al canal que se presentan en las CRAHN. Estos problemas pueden ser causantes de interferencias o de latencias de transmisión que provocan el deterioro del desempeño de la CRAHN.. 16.

(22) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. 1.4.1 Terminal oculto La Figura 1.5 muestra el problema del terminal oculto. Los nodos A, B y C son terminales equipados con RC los cuales poseen un determinado rango de transmisión. El alcance de transmisión de A posee una intersección con el de B. El nodo C está presente en el rango de transmisión de B pero no en el de A, por lo que A no sabe de la existencia de C. A comienza a transmitir paquetes a B. C, que no conoce de la transmisión de A, también comienza a transmitir paquetes a B. Como resultado habrá una colisión de paquetes en B.. Figura 1.5: Problema del terminal oculto. (Fuente: Elaboración propia). 1.4.2 Terminal expuesto La Figura 1.6 muestra el problema del terminal expuesto. El mecanismo RTS/CTS es utilizado para explicar este fenómeno. Considérese que A ha enviado un RTS al nodo B. D, que no escucha las trasmisiones ni de A ni de B, envía un RTS a C. B responde a A con un CTS que es escuchado también por C el cual entra en estado de silencio para respetar el CTS de B. Como resultado D no recibe el CTS de C y esta comunicación no puede ser llevada a cabo. Nótese que la transmisión de A a B no interfiere la de D a C, sin embargo debido al problema del nodo expuesto la comunicación entre C y D no podrá ser llevada a cabo.. Figura 1.6: Problema del terminal expuesto. (Fuente: Elaboración propia). 1.4.3 Terminal multicanal oculto El problema del terminal multicanal oculto ha sido tratado en [3], [48], [89], [90]. Este fenómeno ocurre cuando un nodo RC no escucha una transmisión que se está efectuando en otro canal por tener sintonizado su transceptor en una frecuencia diferente y luego intenta sintonizarse al canal que se encuentra ya ocupado para transmitir, lo cual causa 17.

(23) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. interferencias que degradan la calidad de la comunicación. Para comprender este concepto se considera la Figura 1.7.. Figura 1.7: Problema del terminal multicanal oculto. (Fuente: [3]). El nodo A desea enviar un paquete al nodo B e inicia una señalización tipo RTS-CTS en el CCC (canal 1). Después de la negociación, el canal 2 es seleccionado y el nodo A comienza la comunicación. El nodo C no escuchó esta negociación porque se encontraba sintonizado en el canal 3 y decide iniciar una comunicación en el canal 2 la cual produce una colisión. Este problema puede ser resuelto definitivamente con el empleo de un CCC dedicado global y la colocación de un radio adicional a cada nodo que se encargue de escuchar continuamente el CCC para mantener una lista de canales disponibles actualizada; sin embargo esta solución produce un aumento de la complejidad y costo de la red.. 1.5 Protocolos MAC para CRAHN Resolver todos los problemas presentados en las secciones 1.3 y 1.4 en un solo protocolo no es una tarea simple. Por esta razón los protocolos MAC para CRAHN se enfocan en solucionar algunos desafíos que permitan el funcionamiento de la red RC para escenarios y necesidades concretas. El protocolo DOSS (Dynamic Open Spectrum Sharing) [47] divide el espectro en tres bandas: de control, de intercambio de datos y de tonos de ocupado. La banda de tonos de ocupado permite realizar una detección del medio rápida ya que en ella se representa, en un pequeño 18.

(24) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. ancho de banda, la ocupación de los canales de datos por parte de los SU. En este protocolo se utilizan técnicas para aliviar la saturación del CCC dedicado: limitar el tráfico del CCC por debajo de un umbral, ajustar los anchos de banda del CCC y del canal de datos de forma que el CCC no sea un cuello de botella y permitir un cambio lento del CCC hacia otro canal con mejor QoS. MMAC-CR (Multichannel MAC Protocol for Cognitive Radio) [74] utiliza técnicas híbridas para acceder al espectro. Cada terminal posee dos radios, uno para la comunicación y otro para la detección del medio. Se emplea un CCC dedicado global que se asume libre de actividad de PU. Este protocolo utiliza de manera eficiente el CCC ya que el establecimiento de cada comunicación se logra con el intercambio de solo dos paquetes de control. Utiliza un método cooperativo para la detección que permite que la protección a PU sea mayor que una detección local tradicional. La carga de tráfico es balanceada apoyándose para esto en una estructura llamada vector de carga de canales de SU (Secondary Users Channel Load, SCL). Además, se implementa un mecanismo de ahorro de energía donde los nodos disminuyen el consumo de potencia cuando no están en medio de una comunicación. En CREAM-MAC (Cognitive Radio-enAbled Multi-Channel MAC) [66], [91] los terminales están equipados con un transceptor para enviar o recibir información de datos y de control, y n sensores para detectar n canales del espectro de forma simultánea. Para su funcionamiento este protocolo emplea un CCC dedicado global. La protección a usuarios primarios es proporcionada por dos mecanismos complementarios: la detección cooperativa y el establecimiento de un tiempo máximo de acceso al canal. Se resuelve el problema del nodo oculto utilizando el intercambio de mensajes RTS/CTS. El problema del terminal multicanal oculto es solucionado marcando como canales disponibles solo los utilizados en la comunicación previa hasta que se produzca una nueva publicación de los recursos actuales del espectro. Los terminales que emplean el protocolo SYN-MAC (Synchronized MAC Protocol) [48] están equipados con dos radios. Uno de estos radios trabaja solo como receptor y se utiliza para la escucha de información de señalización. El otro funciona como transmisor o receptor según convenga y es utilizado para la transmisión de información de control y el intercambio de información de datos. En este protocolo no se emplea un CCC dedicado para la señalización, lo que contribuye directamente a reducir los ataques de DoS y los problemas de saturación del canal de control. El problema del terminal multicanal oculto es resuelto con la introducción de la sincronización. Este protocolo es aplicable para redes con terminales que poseen una distribución de canales heterogénea. El protocolo REECR-MAC (Reliable and Energy Efficient Cognitive Radio MAC Protocol) [55] utiliza un solo transceptor para su funcionamiento. En él se ordenan los canales de datos según su calidad con el objetivo de utilizar los óptimos para la comunicación. Cada comunicación posee un canal de respaldo que posibilita aumentar la probabilidad de comunicaciones exitosas ante la aparición de PU. Para el establecimiento de la comunicación se emplea un acuerdo de dos etapas por lo que este proceso es más rápido que en otros protocolos como DOSS y CREAM-MAC que realizan el establecimiento en más etapas [55]. Los mecanismos utilizados en este protocolo propician el ahorro energético de los terminales. 19.

(25) CAPÍTULO 1. PROTOCOLOS MAC CON CANAL DE CONTROL COMÚN EN REDES DE RADIO COGNITIVA. CH-MAC (Multi-channel MAC Protocol) [90] utiliza dos tipos de canales para su funcionamiento. Uno es un canal CCC dedicado global y el otro es el canal de datos. El CCC está localizado en la banda Industrial Científica y Médica (Industrial, Scientific and Medical, ISM) la cual no debe ser evacuada ante la presencia de otros usuarios. Durante el proceso de negociación se acuerda una lista de canales disponibles, que pueden ser utilizados en caso de reaparición de PU. Este mecanismo logra una menor cantidad de saltos de frecuencia que otros protocolos ya que una vez que aparece un PU no es necesario volver al CCC sino que se mueven ambos nodos al próximo canal de la lista acordada, lo cual aumenta la eficiencia. Una vez completada la transmisión los nodos retornan al CCC para actualizar su representación de la red y esperar nuevas comunicaciones. En HC-MAC (Hardware-Constrained Multi-Channel Cognitive MAC) [45], [92] el tiempo se encuentra dividido en tres fases: contención, detección y transmisión. Durante la fase de contención los SU realizan una contienda para ganar el derecho de transmisión. Al finalizar este proceso solo un SU tiene permiso para ocupar los canales de datos. En la fase de detección, el nodo que ganó la contienda realiza una exploración del espectro en busca de canales libres. Este proceso está acotado por un algoritmo que optimiza la razón de transmisión de datos. En la fase de transmisión, el nodo envía los datos en varios canales al mismo tiempo utilizado modulación por división de frecuencias ortogonales (Orthogonal Frequency Division Modulation, OFDM). El protocolo OMC-MAC (Opportunistic Multichannel Cognitive MAC) [46], [79], [93] utiliza equipos dotados con un solo radio. Es de tipo híbrido ya que el tiempo se divide en tres fases de duración fija: detección, contención, y transmisión de datos, y la fase de contención utiliza métodos aleatorios para ganar el derecho al canal de datos. Para el intercambio de mensajes de control, se utiliza un CCC dedicado global el cual se considera libre de interferencias. Durante el periodo de contención todos los nodos de la red deben estar escuchando en dicho canal para evitar el problema del terminal multicanal oculto.. 1.6 Conclusiones La RC propone una solución al problema de escases espectral ya que permite a los equipos detectar el medio y adaptar sus parámetros para utilizar los recursos disponibles de forma eficiente. Los protocolos MAC propuestos para CRAHN pueden ser clasificados atendiendo a características de la redes RC con el objetivo de facilitar su estudio. En el proceso de diseño de estos protocolos deben ser considerados varios desafíos presentes en las redes RC. Los fenómenos de terminal oculto, terminal expuesto y terminal multicanal oculto constituyen problemas de acceso al canal que provocan efectos degradantes en la red RC por lo que deben emplearse mecanismos que permitan erradicarlos. Varios autores han propuesto protocolos MAC para CRAHN con el objetivo de solventar los problemas abordados; sin embargo no existe un protocolo que ofrezca solución a todos los retos, por lo cual debe ser elegido el más adecuado en dependencia de las necesidades que existan. 20.

(26) CAPÍTULO 2. IMPLEMENTACIÓN DE MECANISMOS DE CANAL DE CONTROL COMÚN ADAPTADOS DE LA NORMA IEEE 802.11 En el capítulo anterior se presentaron varios retos de diseño de protocolos MAC en CRAHN y algunas de las técnicas utilizadas para solucionarlos. Un CCC dedicado posee varios inconvenientes los cuales fueron tratados en la sección 1.3.5; sin embargo este tipo de CCC ha sido muy tratado en la literatura [12], [45]–[47], [55], [61], [66], [74], [79], [90], [91], [93], [94]. La cantidad de información de control que es necesario intercambiar en las CRAHN es substancialmente mayor que en las redes inalámbricas tradicionales [74]. Esta información generalmente debe ser difundida a todos los vecinos de la red. Aunque los mensajes de difusión pueden ser llevados a cabo en redes multicanal sin la necesidad de un CCC dedicado global, su utilización garantiza que este proceso sea más eficiente. Por tanto cuando el cúmulo de información de difusión se ve incrementado, como es el caso de las CRAHN, el uso de este tipo de CCC constituye una buena elección. Otro beneficio del empleo de un CCC global dedicado es la fácil implementación, lo cual es la principal razón de su uso en varios de los protocolos para RC propuestos. Además este tipo de CCC tiene la posibilidad de distribuir la información de detección por toda la red con el objetivo de contribuir en el proceso de exploración del espectro de todos los nodos que conforman la CRAHN y proporcionar entonces una mayor protección a los PU y una menor interferencia entre SU. La utilización de varios radios en nodos de una CRAHN que posea un CCC dedicado permite que uno de ellos sea sintonizado al CCC. Este hecho posibilita que los nodos sepan en todo momento la ocupación de cada uno de los canales de datos sin necesidad de mecanismos adicionales como complejos esquemas de sincronismo de supertrama y la realización periódica de la detección de los canales de datos. Sin embargo, aunque la comunicación puede ser más fluida con el empleo de dos radios, poseer varios transceptores tiene inconvenientes económicos. En el presente capítulo se realiza una adaptación del mecanismo Función de Coordinación Distribuida (Distributed Coordination Function, DCF) de IEEE 802.11 para su uso en CRAHN en escenarios con nodos cognitivos provistos de un único transceptor y de nodos provistos con dos transceptores donde uno es empleado exclusivamente para el intercambio de información de control en el CCC. Se utiliza este mecanismo porque es un algoritmo de referencia para las operaciones MAC en redes inalámbricas ad hoc y varios protocolos MAC propuestos para CRAHN lo emplean de forma pura o con alguna variación [48], [55], [66], [91], [95]–[98]. Posteriormente se definen las métricas de desempeño que permitirán comparar los escenarios mencionados..

(27) CAPÍTULO 2. IMPLEMENTACIÓN DE MECANISMOS DE CANAL DE CONTROL COMÚN ADAPTADOS DE LA NORMA IEEE 802.11. 2.1 Modelo del sistema Para realizar la evaluación se considera un entorno en el cual la actividad espectral de los PU es poco variable, por lo que en el periodo de estudio no se suponen cambios en el espectro relacionados con la red primaria. El medio radioeléctrico posee n canales no solapados disponibles para la operación de la red secundaria donde existe un canal dedicado a las funciones de control (CCC) y n-1 canales que se utilizan para la comunicación de datos. El CCC se considera libre de interferencias externas y disponible en todo momento. Existen dos escenarios: . Los nodos cognitivos poseen un único transceptor que es utilizado para las funciones de control e intercambio de datos.. . Los nodos cognitivos poseen dos transceptores. Uno es sintonizado de forma permanente en el CCC y se dedica al intercambio de información de control. El otro se utiliza para el intercambio de información de datos y es sintonizado en cualquiera de los n-1 canales de datos.. Se considera que la CRAHN posee conectividad completa, lo que significa que los nodos cognitivos se distribuyen de manera que el radio de cobertura de cada uno de ellos permite el intercambio de información con el resto de los nodos de la CRAHN.. 2.2 Función de Coordinación Distribuida del estándar IEEE 802.11 El mecanismo DCF de IEEE 802.11 se basa en la detección continua del canal inalámbrico. El algoritmo utilizado para el acceso directo al medio es llamado CSMA/CA. Si un nodo posee información para transmitir, entonces transmite si el medio es detectado como disponible por un periodo mayor a un espacio entre tramas DCF (DCF interframe space, DIFS). Si en algún momento del periodo mencionado el canal cambia a un estado de ocupado, entonces se elige un valor aleatorio en el intervalo [0, W-1], donde W se define como la ventana de contención. Este valor, llamado contador de backoff, es disminuido en uno en cada ranura de tiempo después de que el canal ha sido detectado como libre por un periodo mayor que un DIFS. Cuando el contador backoff llega al valor cero, entonces el nodo transmite. El backoff es elegido de forma aleatoria para disminuir la probabilidad de que varias estaciones que entren en este periodo en el mismo instante, comiencen nuevamente el proceso de detección de forma simultánea. Con el objetivo de dar prioridad a determinados paquetes, se utiliza otro parámetro denominado intervalo corto entre tramas DCF (short interframe space, SIFS) cuya función es la misma que la del DIFS, pero este intervalo es de menor duración y precede a las tramas de alta prioridad. Un nodo espera un DIFS para transmitir un paquete de petición de transmisión RTS pero espera un SIFS para transmitir un CTS o un ACK. La relación existente entre un DIFS y un SIFS está dada por la ecuación 2.1. 22.

(28) CAPÍTULO 2. IMPLEMENTACIÓN DE MECANISMOS DE CANAL DE CONTROL COMÚN ADAPTADOS DE LA NORMA IEEE 802.11. =. +2∗. (2.1). Donde ranura es un parámetro cuyo valor depende del tipo de capa física empleada [99]. La Figura 2.1 ilustra el funcionamiento básico de CSMA/CA.. Figura 2.1: Método básico de acceso al medio en DCF. (a) El canal se encontraba libre al inicio del proceso CSMA/CA. (b) El canal se encontraba ocupado al inicio del proceso CSMA/CA y luego se libera. (Fuente: Elaboración propia). Para reservar el medio para la comunicación se realiza un intercambio de paquetes RTS y CTS. Este proceso se conoce como mecanismo de detección virtual de portadora. Si un nodo se encuentra listo para una transmisión, envía un paquete RTS utilizando DCF. Cuando se recibe el RTS, el receptor responde con un CTS. Ambos paquetes (RTS y CTS) poseen un campo que contiene la duración esperada para la comunicación. Los nodos que no forman parte de esta comunicación también escuchan estos paquetes y retrasan sus trasmisiones para no interferir la comunicación actual. Con este propósito cada terminal posee una variable conocida como vector de asignación de red (Network Allocation Vector, NAV) que almacena el tiempo por el cual, en los nodos que no forman parte de la comunicación en curso, deben ser retardadas las transmisiones. El valor del NAV es calculado a partir de la información de duración estimada de comunicación que almacenan los paquetes RTS y CTS. Este proceso permite que el área alrededor de los nodos transmisor y receptor sea reservada para la comunicación, con lo cual se elimina el problema del nodo oculto. La Figura 2.2 ilustra un ejemplo del proceso descrito. C es vecino de A y D es vecino de B. C y D son nodos ocultos para los terminales B y A respectivamente. A posee información que desea enviar B para lo cual le envía un paquete RTS que contiene el tiempo estimado de duración de la comunicación. B responde a A con un CTS que contiene también el tiempo estimado para la comunicación. Los paquetes RTS y CTS son escuchados por C y D respectivamente, lo cual permite a estos nodos calcular el valor del parámetro NAV y posponer sus transmisiones para evitar interferir la comunicación entre A y B.. 23.

(29) CAPÍTULO 2. IMPLEMENTACIÓN DE MECANISMOS DE CANAL DE CONTROL COMÚN ADAPTADOS DE LA NORMA IEEE 802.11. De forma general la utilización de CSMA/CA tiene como función principal el ganar el acceso al medio mediante la exploración real del espectro, mientras que el intercambio de paquetes RTS/CTS con la ayuda del parámetro NAV permite compartir el medio dando derechos de uso del espectro a solo un par de nodos del área.. Figura 2.2: (a) Posición espacial y radios de cobertura de los nodos A, B, C y D. (b) funcionamiento del mecanismo DCF de IEEE 802.11. (Fuente: Elaboración propia). 2.3 Adaptación de DCF IEEE 802.11 a CRAHN Para comprobar los efectos del empleo de uno o dos radios en nodos de CRAHN se realizó una adaptación simple del mecanismo DCF de IEEE 802.11 a estos dos escenarios. El protocolo IEEE 802.11 está diseñado para redes que operan utilizando un único canal para la comunicación; sin embargo una de las principales características que posee una red RC es su operación en entornos multicanales. Por esta razón una de las adecuaciones de DCF para RC es adaptar las capas física y MAC, y el esquema de espectro a utilizar para el manejo de varios canales. Con este objetivo fue elegida una arquitectura de CCC dedicado que posee un radio de cobertura que abarca la totalidad de la red ya que este es una de las 24.