Comunicación Green en Redes Celulares

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(1)FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA. Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA. COMUNICACIÓN GREEN EN REDES CELULARES Autor: Geanny Pellicer González Tutor: Dr. Samuel Montejo Sánchez Tesis presentada en opción al Título Académico de Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica Santa Clara 2014 “Año 56 de la Revolución”.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. COMUNICACIÓN GREEN EN REDES CELULARES Tesis presentada en opción al Título Académico de Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica Autor: Geanny Pellicer González E-mail: gpellicer@uclv.edu.cu Tutor: Dr. Samuel Montejo Sánchez E-mail: montejo@uclv.edu.cu Santa Clara 2014 ―Año 56 de la Revolución‖.

(3) Hago constar que la presente Tesis en Opción al Título Académico de Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica fue realizada en la Universidad Central ―Marta Abreu‖ de Las Villas como parte de la culminación de estudios de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que la misma sea utilizada por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentada en eventos, ni publicada sin autorización de la Universidad.. ____________________ Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. ___________________ Firma del Tutor. _____________________. ________________________. Firma del Jefe de Departamento. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) PENSAMIENTO. “¿Por qué esta magnífica tecnología científica, que ahorra trabajo y nos hace la vida más fácil nos aporta tan poca felicidad? La respuesta es esta, simplemente: porque aún no hemos aprendido a usarla con tino.”. Albert Einstein. i.

(5) DEDICATORIA. A mis padres, que me han dado su amor sin límites y apoyo incondicional en cada momento de mi vida. A mis hermanas, por quererme tanto y estar presente cada día en sus corazones. A mi novia, por convertirse en alguien tan especial en mi vida.. ii.

(6) AGRADECIMIENTOS A mis padres, por guiarme en cada momento de mi vida y sus consejos llevaron a mi preparación profesional. A mis hermanas, por su ayuda incondicional. A mi novia, por ser parte de mi vida. A mi tutor, por sus sabios consejos en la conformación de esta tesis. A todos los profesores que de una manera u otra aportaron su granito de arena a mi preparación profesional. A mis amigos, por compartir todos esos momentos inolvidables de la universidad.. iii.

(7) TAREA TÉCNICA . Búsqueda bibliográfica de información relacionada con la comunicación green en redes inalámbricas.. . Estudio de técnicas eficientes en energía que permitan disminuir el consumo de potencia en las redes celulares.. . Selección y estudio de la herramienta de simulación para la implementación de funciones de código relacionadas con la comunicación green en las redes celulares.. . Confección de funciones de código que simulen técnicas green orientadas a mejorar los niveles de eficiencia energética en redes celulares.. . Evaluación del desempeño técnicas green y análisis de los resultados alcanzados.. Firma del Autor. Firma del Tutor. iv.

(8) RESUMEN. El advenimiento de altas tasas de transferencia de datos en las redes inalámbricas incrementa la demanda de energía. La vida limitada de la batería de los dispositivos móviles y el aumento del costo de la producción de la energía eléctrica, así como su impacto negativo al medio ambiente, ha provocado un esfuerzo global en el desarrollo y despliegue. de. técnicas. eficientes. energéticamente,. recientemente. llamada. comunicación green. En este trabajo se presenta el concepto y las características fundamentales de la comunicación green y se describen las principales técnicas que permiten aumentar los niveles existentes de eficiencia energética en redes celulares. El ajuste dinámico del tamaño de la celda en una red celular, denominado como técnica cell zooming, se realiza tomando en consideración la carga de tráfico, ubicación de los usuarios y condiciones del canal. Esta novedosa técnica puede ser realizada a través de tres métodos diferentes: continuo, discreto y fuzzy y su implementación está orientada al ahorro de la potencia de transmisión en las estaciones base. Estrategias de despliegues basadas en la heterogeneidad, donde nodos de baja potencia de transmisión coexisten con las estaciones base tradicionales, resulta también un importante tema a abordar. Los resultados obtenidos de los experimentos de simulación demuestran la eficacia de las técnicas propuestas: alcanzándose más de un 40% de ahorro energético cuando se emplea la técnica cell zooming, mientras que el uso de redes heterogéneas permite incrementar la eficiencia espectral por área del sistema.. Palabras Claves: comunicación green, eficiencia energética, red celular, consumo de potencia, técnica cell zooming y redes heterogéneas.. v.

(9) ÍNDICE. PENSAMIENTO ................................................................................................................................ i DEDICATORIA ................................................................................................................................ ii AGRADECIMIENTOS .................................................................................................................... iii TAREA TÉCNICA .......................................................................................................................... iv RESUMEN .........................................................................................................................................v ÍNDICE ............................................................................................................................................. vi INTRODUCCIÓN ..............................................................................................................................1 CAPÍTULO 1.. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN. GREEN.. 4. 1.1. Definición. ......................................................................................................... 4. 1.2. Proyectos y métricas green. ............................................................................... 4. 1.2.1. Proyectos green. ......................................................................................... 4. 1.2.2. Métricas green. ........................................................................................... 7. 1.3. Ahorro energético en Estaciones Base. .............................................................. 9. 1.3.1. Reducción del consumo de energía en Estaciones Base........................... 10. 1.3.2. Gestión de potencia en la cooperación entre Estaciones Base. ................ 12. 1.3.3. Uso de los recursos de energía renovable. ................................................ 15. 1.3.4. Otras formas de reducir el consumo de energía en Estaciones Base. ....... 16. 1.4. Planificación de la red: Despliegue de una red heterogénea............................ 16. 1.5. Uso de nuevas tecnologías: radio cognitiva y comunicación cooperativa. ...... 18. 1.5.1. Comunicación green vía radio cognitiva. ................................................. 18 vi.

(10) 1.5.2 1.6. Comunicación green vía comunicación cooperativa. ............................... 19. Diseño: dirección de la eficiencia energética en generaciones futuras de. sistemas inalámbricos. ................................................................................................ 21 1.6.1. Detección de espectro de baja energía. ..................................................... 21. 1.6.2. Aplicaciones conscientes de la energía: control de acceso al medio y. enrutamiento green. ................................................................................................. 22 1.6.3. Gestión eficiente de los recursos energéticos. .......................................... 24. 1.6.4. Diseño cross layer. ................................................................................... 25. 1.7. Incertidumbre en la Información del Estado del Canal. .................................. 27. 1.8. Algunas perspectivas más amplias. ................................................................. 28. 1.9. Conclusiones parciales. .................................................................................... 29. CAPÍTULO 2. 2.1. PROPUESTAS DE SOLUCIONES GREEN. .....................................................30. Modelo del canal de propagación. ................................................................... 30. 2.1.1. Tipos de desvanecimiento. ....................................................................... 30. 2.1.2. Potencia de transmisión y recepción. ....................................................... 33. 2.2. Técnica cell zooming. ...................................................................................... 34. 2.2.1. Método continuo. ...................................................................................... 34. 2.2.2. Método discreto. ....................................................................................... 35. 2.2.3. Método fuzzy. ............................................................................................ 37. 2.3. Redes heterogéneas. ......................................................................................... 39. 2.3.1. Modelo del consumo de potencia para Estaciones Base. ......................... 41. 2.3.2. Consumo de potencia por área. ................................................................ 42. 2.3.3. Eficiencia espectral por área. .................................................................... 43. 2.4. Conclusiones parciales ..................................................................................... 44. CAPÍTULO 3. 3.1. EVALUACIÓN DE LAS SOLUCIONES GREEN PROPUESTAS. .................45. Parámetros de simulación para la técnica cell zooming. .................................. 45. 3.1.1. Análisis de los resultados obtenidos. ........................................................ 46 vii.

(11) 3.2. Parámetros de simulación para el despliegue de una red heterogénea. ........... 47. 3.2.1 3.3. Análisis de los resultados obtenidos. ........................................................ 49. Conclusiones parciales. .................................................................................... 52. CONCLUSIONES ............................................................................................................................54 RECOMENDACIONES ..................................................................................................................55 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................................56 ANEXOS ..........................................................................................................................................61 Anexo 1 Distribución de Ricean. ................................................................................ 61 Anexo 2 Distribución de Rayleigh. ............................................................................. 61 Anexo 3 Parámetros del canal de propagación ........................................................... 62 Anexo 3.1 Parámetros efectivos de propagación .................................................... 62 Anexo 3.2 Características del enlace para la norma LTE (1)................................. 62 Anexo 3.3 Características del enlace para la norma LTE (2)................................. 63. viii.

(12) INTRODUCCIÓN El sector de las Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones (TIC) ha experimentado un rápido crecimiento los últimos años. Este importante desarrollo tecnológico ha incrementado las demandas de energía y las emisiones de CO2 y en consecuencia, ha contribuido al calentamiento global. Según Fettweis y Zimmermann [1], en el 2008 más del 2% de emisiones de CO2 a nivel mundial y el 3% del consumo global de energía correspondía a las TIC. Dentro del sector de las TIC, la industria de las comunicaciones móviles es una de las que más contribuyen al consumo de energía. En particular, el 57% del consumo energético de la industria de las TIC se atribuye a los usuarios y dispositivos de redes celulares [2]. En el 2012 ya existían más de 4 millones de estaciones base (BS: Base Station) desplegadas a nivel mundial consumiendo cada una como promedio 25MWh por año; en lo que respecta a gastos por energía una BS conectada a la red eléctrica puede costar aproximadamente $3,000 por año para operar, mientras una BS que se encuentre en zonas rurales o remotas por lo general funciona a través de generadores que incrementan los gastos diez veces más [3]. Por otro lado, es necesario un mayor ahorro de energía en los dispositivos móviles de redes inalámbricas, donde el desarrollo de la tecnología destinada a incrementar el tiempo de vida de la batería no va a la par del aumento del consumo de energía. El impacto económico del costo energético junto a los problemas ambientales ha llevado a los operadores de redes a la búsqueda de técnicas ecológicas y más eficientes energéticamente. Esta tendencia ha estimulado el interés de investigadores en una nueva área innovadora de la investigación llamada comunicación green. El objetivo fundamental de la comunicación green es lograr que la red de un operador de telecomunicaciones sea mucho más eficiente energéticamente, reduciendo el consumo energético de los dispositivos empleados, optimizando el uso de los recursos del sistema como la potencia y el espectro radioeléctrico sin empeorar parámetros como el rendimiento (throughput), la calidad de servicio (QoS: Quality of Service) y la cobertura. Teniendo en cuenta todo lo antes expuesto, se enuncia como problema científico el siguiente: ¿Cómo brindar soluciones de comunicación inalámbrica factibles y que. 1.

(13) INTRODUCCIÓN. optimicen eficientemente el consumo energético, sin degradar parámetros de desempeño tales como calidad de servicio, cobertura y tasa de transferencia de datos? Esta investigación tiene como objeto de estudio la comunicación green en las redes celulares y el campo de acción lo constituye el desarrollo de soluciones green que permitan aumentar la eficiencia energética en redes celulares. Por tanto, se propone como objetivo general diseñar soluciones de comunicación inalámbrica que permitan incrementar la eficiencia energética en las redes celulares mediante el uso de técnicas green. A partir del objetivo general, se derivan como objetivos específicos los siguientes:  Describir los proyectos creados a nivel mundial en la comunicación green.  Definir métricas green para las redes inalámbricas.  Proponer técnicas, estrategias de despliegues y el uso de nuevas tecnologías que permitan incrementar la eficiencia energética en redes inalámbricas.  Evaluar mediante simulación el desempeño de las técnicas green propuestas. La tesis está estructurada de la siguiente forma: introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. En el primer capítulo se abordan los principales elementos teóricos concernientes a la comunicación green en las redes celulares, abordándose los proyectos que han sido creados a nivel mundial con este fin y se muestran las métricas que permiten evaluar esta nueva tecnología. También se tratan aspectos relacionados al consumo energético en las BS y se describen técnicas orientadas a disminuir el consumo de potencia en las BS y dispositivos móviles. Además, se explica cómo tecnologías emergentes como la radio cognitiva y la comunicación cooperativa, pueden ser utilizadas con el propósito de aumentar la eficiencia de energía en las redes celulares. En el segundo capítulo se describen los modelos y materiales del sistema; aquí un modelo de propagación de la señal resulta fundamental para la simulación de un enlace inalámbrico en una red celular. También se describen algoritmos para implementar la técnica cell zooming, estos algoritmos fueron clasificados en tres métodos: método continuo, método discreto y método fuzzy. Además mediante un modelo lineal del consumo de potencia de estaciones base, se analiza el comportamiento energético de. 2.

(14) INTRODUCCIÓN. una red heterogénea basado en el despliegue conjunto de estaciones base tradicionales de alta potencia de transmisión y nodos de baja potencia de transmisión. En el tercer capítulo, mediante la herramienta de simulación MATLAB, se simulan las soluciones green propuestas en el capítulo 2. Para evaluar el desempeño de la técnica cell zooming son simulados y comparados los métodos: continuo, discreto y fuzzy. Además se determinan los beneficios en términos de eficiencia espectral por área y tasa de transferencia por subportadora por área del uso de las redes heterogéneas.. 3.

(15) CAPÍTULO 1.. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE. LA. COMUNICACIÓN GREEN.. 1.1. Definición.. La comunicación green en los sistemas inalámbricos se define como una forma de comunicación inalámbrica orientada al ahorro integral de energía sin afectar el desempeño del sistema. Las motivaciones para obtener este tipo de tecnología incluyen beneficios económicos y el uso de mejores prácticas, que puede ser traducido en menores costos energéticos y el aumento de la duración de la batería en los dispositivos móviles. 1.2. Proyectos y métricas green.. Actualmente un amplio número de proyectos son financiados para facilitar la investigación, experimentación, implementación y evaluación de técnicas green para las redes móviles. En este epígrafe se presenta un resumen de los proyectos de investigación green en redes móviles de gobiernos, academias, operadores de red, también se presentan la mayoría de los indicadores green propuestos para evaluar la eficiencia energética. 1.2.1. Proyectos green.. Los gobiernos han financiado y desarrollado una serie de directrices encaminadas a obligar a las empresas TIC a ser más eficientes en energía, haciendo uso de técnicas green con lo que se reducirían toneladas de emisiones de CO2. Uno de los primeros programas en esta revolución energética es FP7 (Seven Framework Programme) creado por una comisión europea [4] , FP7 ha impulsado varios proyectos de investigación a largo plazo, por ejemplo, el proyecto EARTH (Energy Aware Radio and neTwork tecHnologies) [5] creado en el 2012 y encaminado a la investigación de la eficiencia energética de los sistemas de comunicación móviles. En este proyecto son investigadas las limitaciones teóricas y prácticas de las redes móviles actuales en lo que respecta a energía; el objetivo de este proyecto es desarrollar una nueva generación de dispositivos más eficientes a través de soluciones de gestión de red que permitan seguir prestando 4.

(16) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. una alta tasa y QoS. EARTH se centra principalmente en los sistemas celulares móviles de LTE (Long Term Evolution) y LTE-Advanced, pero también tendrá en cuenta la tecnología 3G (UMTS:Universal Mobile Telecommunication System) y HSPA (High Speed Packet Access) para un impacto inmediato. El gobierno de Japón también mostró gran interés a la tecnología de red green y ha establecido el proyecto Green IT [6] orientado a las técnicas de eficiencia energética de los centros de datos, redes y displays, a la vez han sido creadas políticas relacionadas para fomentar la investigación por parte de la industria y la academia hacia esta nueva tecnología más eficiente. La tendencia de las empresas TIC a desarrollar técnicas green ha impulsado incluso una amplia cooperación internacional; las actividades entre las entidades líderes de esta industria en forma de asociaciones y organizaciones realizarán un papel clave para ayudar a reducir las emisiones de CO2 en todo el planeta. GreenTouch [7] es un consorcio de aproximadamente 30 empresas TIC líderes mundiales e institutos de investigación dedicados fundamentalmente a la transformación de las redes comunicaciones y de datos. Su objetivo es aumentar la eficiencia energética de la red por un factor de 1000 respecto a los niveles actuales antes del 2015. Los proyectos OPERA-Net [8] y GREEN-T [9] fomentado por un consorcio europeo están formado por compañías globales de las TIC, los cuales pretenden solucionar los nuevos desafíos energéticos de los sistemas móviles emergentes mediante la investigación y demostración de tecnologías que disminuyen el consumo de energía. Se centran principalmente en los enfoques integrales para optimizar la eficiencia energética en redes móviles heterogéneas de banda ancha (4G), abordando múltiples objetivos, como la mejora de la eficiencia energética a nivel de sistema, infraestructura y terminal móvil, nuevas búsquedas de métricas green, análisis de la radio cognitiva cooperativa y alta tasa de transferencia de datos. El Centro Móvil Virtual de Excelencia (MVCE: Mobile Virtual Center of Excellence), núcleo de 5 programas del proyecto Radio Green [2, 10] es un programa de investigación financiado por el gobierno y la industria creado en el 2009, se centra en el diseño de nuevas arquitecturas green y formas de reducir el consumo de energía en las BS y terminales móviles, más específicamente en los amplificadores de potencia, procesadores, modos de suspensión o de sueño, red backhaul, enlaces multisaltos, 5.

(17) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. utilización de relevos (relays), la asignación de recursos y el acceso dinámico al espectro. El grupo de trabajo Cool Silicon Cluster [11] en Alemania, con más de 60 empresas globales e instituciones de investigación, ha mostrado su énfasis en las innovaciones de eficiencia energética, y ha contribuido para que en un tiempo reducido sean puestos en el mercado productos y servicios innovadores que ya incluyan tecnología green. Cool Silicon Cluster se centra en tres objetivos fundamentales: "cool computing" para buscar el máximo rendimiento y alta eficiencia energética en las micro y nano-tecnologías, "reader cool" para reducir el consumo de energía en los sistemas de comunicación y "cool sensor networks" para el desarrollo de sensores especiales con energía propia. Green Grid [12], del mismo modo, es otro proyecto que consta de un gran número de empresas de la industria de las telecomunicaciones a nivel mundial, el cual busca unir esfuerzos globales de dicha industria para estandarizar un conjunto común de indicadores, procesos, métodos y nuevas tecnologías green para centros de datos. La evaluación comparativa y la clasificación de servicios también son eficaces para promover y fomentar la comunicación green en las redes celulares. El Servicio de Red Móvil Eficiente en Energía Benchmarking (Mobile Energy Efficiency Network Benchmarking Service) ofrecido por la Asociación de Sistemas Globales. para las. Comunicaciones Móviles (GSMA: Global System for Mobile Communication Asociation) [13] ayuda a los operadores de red móvil a hacer una evaluación comparativa de los servicios y gracias a ello poder reducir sus costos de energía. Green500 [14] mantiene un rango global sobre los sistemas de supercomputación de bajo consumo. Cool IT [15] hace un llamado a las principales empresas del sector de las TIC a colaborar en técnicas green mediante el seguimiento regular de los progresos a través de metas trazadas. La clasificación de estas. metas tendrá en cuenta. principalmente tres aspectos fundamentales: los esfuerzos para ofrecer soluciones tecnológicas de todo el mundo que contribuyan a la reducción global de gases de efecto invernadero, las iniciativas para reducir sus propias emisiones de calentamiento global, así como la participación activa en la promoción política y el apoyo a una base científica climática y políticas energéticas.. 6.

(18) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. 1.2.2 Métricas green. Las métricas green se crean debido a la necesidad de tener información para comparar y evaluar directamente el consumo de energía de la red global y sus componentes. Además ayudan a establecer metas de investigación a largo plazo con el objetivo de reducir el consumo de energía, por ello las métricas de eficiencia energética desempeñan un papel fundamental en las comunicaciones green. El aumento de las actividades de investigaciones relacionadas con las comunicaciones green ha incrementado el número. de diversos indicadores de eficiencia energética;. organizaciones de normalización como el Instituto Europeo de Normas Técnicas (ETSI: European Technical Standards Institute) [16] y la Alianza para Soluciones de la Industria de las Telecomunicaciones (ATIS: Alliance for Telecommunications Industry Solutions) [17] se esfuerzan actualmente para definir métricas de eficiencia energética para las redes inalámbricas. En general,. los. indicadores. de eficiencia. energética de los. sistemas. de. telecomunicaciones se pueden clasificar en tres grandes categorías: nivel de instalaciones, nivel de equipos y nivel de red [18], [19]. Los indicadores a nivel de instalaciones se refiere a sistemas de alto nivel en que se despliega el equipo, por ejemplo, centros de datos y redes de ISP (Internet Service Provider), los indicadores a nivel de equipamiento se definen para evaluar la eficiencia energética de un equipo individual y las métricas a nivel de red evalúan la eficiencia energética de los equipos al mismo tiempo que tienen en cuenta características y propiedades relacionadas a la red como la calidad de servicio, la capacidad de usuarios y la cobertura de la red. La asociación de profesionales del proyecto Green Grid propuso primero la métrica de eficiencia a nivel de instalación llamada Eficiencia del Uso de Potencia (PUE: Power Usage Efficiency) y su recíproco, Eficiencia de Centro de Datos (DCE: Data Center Efficiency), para evaluar el desempeño de los centros de datos [20]. La PUE se define como la relación entre el consumo de energía total de la instalación al consumo de energía total del equipo y aunque es un buen indicador para evaluar rápidamente el desempeño de instalaciones a nivel macro, no tiene en cuenta la eficiencia energética de los equipos individuales. Con el objetivo de cuantificar la eficiencia a nivel de equipamiento sería más apropiada la relación del consumo de energía en cierta medida con algún parámetro de desempeño de un sistema de comunicación. La Razón de 7.

(19) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. Consumo de Energía (ECR: Energy Consumption Rating) es una métrica a nivel de equipamiento que se define como la relación del consumo de energía normalizada al throughput en modo full dúplex y se mide en [watt/Gbps][21] . Por otro lado, ni las redes más activas siempre operan en condiciones de alto tráfico, por lo que sería útil para complementar dichas métricas incorporar condiciones dinámicas de la red como el consumo de energía bajo diferentes condiciones: a plena carga, mitad de carga y reposo. En este sentido, métricas como ECR-W (ECR-ponderada), ECR-VL (ECR-sobre un ciclo de carga variable), ECR-EX (ECR-sobre un ciclo de carga extendida), la Razón de Eficiencia Energética de las Telecomunicaciones (TEER: Telecommunications Energy Efficiency Ratio) creado por ATIS, la Razón de Eficiencia Energética para Equipos de Telecomunicaciones (TEEER:Telecommunication Equipment Energy Efficiency Rating) creado por VNBS (Verizons Networks and Building Systems) tienen en cuenta el consumo total de energía en forma de suma ponderada del consumo de energía de los equipos en diferentes condiciones de carga [21-23]. Como un ejemplo para TEEER, el consumo total de potencia (Ptotal) se calcularía por la siguiente ecuación: (1.1) donde Pmax, P50 y Psleep es el consumo de potencia en el caso de carga completa, media y en modo de inactivo, respectivamente; siendo obtenidos estadísticamente los valores de potencia antes mencionados. Sin embargo, métricas como ECR, TEER, TEEER, no son capaces de abarcar todas las propiedades y funcionalidades de los sistemas, por lo que esto constituye un tema de investigación activo. Recientemente en [24] se propuso una métrica de eficiencia energética absoluta (expresada en dB) dada por:. (1.2) donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta del sistema TIC. Mientras que las métricas de eficiencia energética a nivel de instalación y de equipamiento son relativamente sencillas de definir, es más difícil definir métricas a nivel de red. En [16], ETSI propone dos métricas a nivel de red para sistemas GSM (Global System for Mobile Communication) basado en condiciones de carga. En las zonas rurales, que son generalmente en condiciones de carga baja, el objetivo es reducir. 8.

(20) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. el consumo de energía en una región de cobertura, por lo tanto, la métrica viene dada por:. (1.3) donde PIrural se expresa en [km2/Watt] y es el indicador de desempeño energético de la red en zonas rurales. Las zonas urbanas tienen mayor tráfico que las zonas rurales, por lo que la capacidad de usuarios debe considerada en lugar del área de cobertura para este tipo de zona. Una medida común en condiciones de carga completa está dada por:. (1.4) donde PIurbano [usuarios/watt] es el indicador de desempeño energético de la red en las zonas urbanas y N es el número de usuarios basados en la hora activa. Debido a la diferencia intrínseca y la pertinencia de los diversos sistemas de comunicación y medidas de desempeño, es poco probable que un solo indicador green pueda ser suficiente. No obstante, en el futuro, las métricas green deben también tener en cuenta los costos de implementación, como la construcción del sitio, la red backhaul y requisitos de QoS, como el retardo de transmisión, junto con la eficiencia espectral, con el fin de lograr una evaluación integral del ahorro de energía en el sistema. Una vez alcanzado un amplio consenso sobre un conjunto pequeño de indicadores estándar de energía en el futuro, no sólo va a acelerar las actividades de investigación en las comunicaciones green sino que también contribuirá a la normalización. 1.3. Ahorro energético en Estaciones Base.. En la Figura 1.1 se muestran los elementos que conforman una red celular y el por ciento del consumo de potencia que representan, de la figura anterior puede observarse como, solamente, la BS consume más del 50% de la potencia total de la red. Debido a la creciente demanda de tecnología de comunicación móvil, el número de BS celulares en todo el mundo ha pasado de unos pocos cientos de miles a más de 4 millones en los últimos años [3]. El incremento del número de BS y el advenimiento de estándares celulares de datos intensivos aumentará cada vez más el consumo total de energía. Por lo tanto, los fabricantes de equipos de BS han comenzado a ofrecer una 9.

(21) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. serie de soluciones green para reducir la demanda de energía en esos sitios y alimentar a las BS que no llega la red eléctrica con recursos energéticos renovables.. Figura 1.1 Despliegue del consumo total de potencia en una red celular. 1.3.1 Reducción del consumo de energía en Estaciones Base. Puesto que una BS consume la porción principal de potencia en una red celular a continuación se discuten diferentes formas de reducir el consumo de potencia en estos sitios, las soluciones pueden clasificarse de dos formas: la primera a nivel de hardware que se centra en la mejora del consumo de energía en los componentes de la BS, tales como el amplificador de potencia, procesadores de señales digitales, sistemas de climatización y circuitos relacionados a la alimentación, y la segunda solución, es a nivel de software a través de la gestión inteligente de los elementos de la red basado en las variaciones de la carga de tráfico.. Figura 1.2 Distribución del consumo de potencia en una BS tradicional. 10.

(22) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. Mejoras en el amplificador de potencia. En la Figura 1.2 se muestra la distribución del consumo de potencia en una BS tradicional, dado que el amplificador de potencia domina el consumo de potencia de una BS a continuación se tratan algunas de sus características principales y se presentan mejoras que amplíen su eficiencia energética. La eficiencia total de un amplificador desplegado actualmente, que es la relación de la potencia de entrada de corriente alterna a la potencia de salida de radiofrecuencia, está generalmente en el intervalo de 5 % a 20 % (dependiendo del estándar, GSM, UMTS, CDMA (Code Division Multiple Access) y la condición de los equipos) [25]. Los modern de BS son muy ineficientes debido a la necesidad de linealidad en el amplificador de potencia y alta razón de potencia promedio pico (PAPR: Peak to Average Power Ratios). Los esquemas de modulación que son empleados en los estándares de comunicación como WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), HSPA y LTE se caracterizan por una envolvente de la señal fuertemente variable con valores de PAPR que exceden los 10dB. Para obtener una alta linealidad en el amplificador con el fin de mantener la calidad de las señales de radio, este tiene que operar muy por debajo de la saturación, lo que resulta en una pobre eficiencia [26]. Dependiendo de su tecnología de fabricación y la aplicación, la eficiencia a nivel de componente de los amplificadores modernos para CDMA y sistemas UMTS es del orden del 30 % al 40 %. Otro aspecto significativo, es que los amplificadores funcionan mejor a la potencia de salida máxima con el fin de mantener la calidad de la señal requerida. Sin embargo, en las condiciones de mediana o baja carga de tráfico (por ejemplo, de noche), gran cantidad de energía se desperdicia rutinariamente y es esta, la razón principal del por qué el consumo de potencia en las redes celulares, puede considerarse, independiente de la carga de tráfico. Por eso, el diseño de arquitecturas de amplificadores flexibles que permitan una mejor adaptación del amplificador a la potencia de salida requerida necesita ser abordado. Además, deben investigarse esquemas de modulación más eficientes ya la eficiencia del amplificador depende de la banda de frecuencia, la modulación y el entorno de la frecuencia de operación. A modo de ejemplo, centrándose en los esquemas de modulación más altos, esto requiere filtrado adicional con el fin de dar prioridad a los datos sobre la voz, la linealidad del amplificador es más deseable debido a la envolvente no constante de la señal.. 11.

(23) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. Protocolos eficientes en energía. En la arquitectura de red celular basada en WCDMA / HSPA, las BS y los terminales móviles están obligados a transmitir continuamente señales pilotos. Estándares más recientes, como LTE, LTE-Advanced y WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) han evolucionado para satisfacer las necesidades del tráfico de datos de altas tasas de transferencia. Las altas tasas de transferencia, a pesar de que las BS y las unidades móviles emplean nuevos diseños de hardware (por ejemplo, antenas de múltiple entrada y múltiple salida (MIMO:Multiple Input Multiple Output)), aumentando la eficiencia espectral que permite transmitir a mayores tasas de transferencia con la misma potencia, ocasiona que el consumo de energía sea todavía una problema importante para las futuras redes de datos con lo que se requiere la conservación de energía, tanto en los circuitos y como en los protocolos utilizados. Apagar los transceptores cada vez que no hay necesidad de transmitir o recibir puede ahorrar una cantidad considerable de energía. El estándar LTE utiliza esta idea mediante la introducción de protocolos orientados al ahorro de energía, tales como recepción discontinua (DRX:discontinuous reception) y modos de transmisión discontinua (DTX:discontinuous transmission) para el teléfono móvil. DRX y DTX son métodos que permite momentáneamente apagar los dispositivos móviles para ahorrar energía mientras permanecen conectados a la red con un throughput reducido. Transmisión y recepción continua en WCDMA/HSPA consume gran cantidad de energía incluso si las potencias de transmisión son muy inferiores a los niveles máximos, por lo que el ahorro de energía debido a la DRX y DTX es una técnica atractiva. El estándar IEEE 802.16e o WiMAX móvil también tiene disposiciones similares para los mecanismos del modo de sueño de los terminales móviles [27]. En las BS también se puede reducir el consumo de energía si son diseñados nuevos protocolos que permitan introducir modos de sueños en dichas instalaciones. Desconectar hardware inactivo de BS durante estos modos de sueño puede ahorrar potencialmente una gran cantidad de energía, sobre todo en condiciones de carga baja. 1.3.2 Gestión de potencia en la cooperación entre Estaciones Base. El. tráfico. en. las. redes. celulares. tiene. fluctuaciones. significativas. en el espacio y el tiempo debido a factores como la movilidad del usuario. Durante el día, la carga de tráfico es generalmente más alta en las áreas de oficinas en comparación 12.

(24) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. con las zonas residenciales, si bien es de forma inversa durante la noche. Una implementación del tamaño de celda estática no es óptima debido a las condiciones de tráfico fluctuante. Si bien el ajuste del tamaño celular ocurre actualmente en las redes CDMA desplegadas (una celdas bajo alto tráfico o interferencia reduce su tamaño (zona de cobertura) a través del control de potencia y el usuario móvil se entrega a las celdas vecinas), una mayor gestión de potencia a nivel de la red es necesario donde múltiples BS pueden coordinar de forma articulada el tráfico entre ellas. Puesto que operar una BS consume una cantidad considerable de energía, dejando selectivamente que algunas BS puedan entrar en modo de sueño sobre la base de su carga de tráfico, puede ahorrar una cantidad significativa de energía. Cuando algunas celdas están apagadas o en modo de reposo, la cobertura puede ser garantizada por las celdas vecinas activas.. Figura 1.3 Operaciones de la técnica cell zooming: a) Celdas en su tamaño original; b) BS central disminuye su tamaño cuando la carga de tráfico incrementa; c) BS central aumenta su tamaño cuando la carga de tráfico disminuye; d) BS central apagada, las BS vecinas transportan su tráfico; e) BS central apagada, las BS vecinas transmiten cooperativamente a un usuario.. Técnicas de redes auto-organizadas (SON: Self-Organizing Networks) han sido introducidas en la norma 3GPP (Third Generation Partnership Project) TS 32.521 para añadir gestión a la red y características de inteligencia para que la red sea capaz de optimizar, reconfigurar y repararse a sí misma con el fin de reducir los costos por energía, mejorar su desempeño y flexibilidad. Técnicas SON se pueden aplicar con el fin de lograr. diversos objetivos, por ejemplo el equilibrio de carga, gestión de 13.

(25) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. interrupciones celular, la gestión de enlaces y repetidores [28]. En el contexto de eficiencia energética las técnicas SON fueron inicialmente exploradas en [29], [30], en donde se expone como a través de la reducción selectiva del número de celdas activas que se encuentran bajo condiciones de carga baja de tráfico puede lograrse una cantidad de ahorro de energía del orden del 20%, o incluso más. Un concepto similar pero aún más flexible, es la técnica cell zooming [31], mediante la cual las BS de forma cooperada pueden ajustar el tamaño de la celda de acuerdo a la situación del tráfico de la red, con el fin de equilibrar la carga de tráfico, mientras se reduce el consumo de energía. En la Figura 1.3 se muestra como la técnica cell zooming puede ser utilizada con diversos propósitos. En las Figuras 1.3 b) y c) se logra un balance de la carga de tráfico entre las BS, mientras que en las Figuras 1.3 d) y e) puede verse como dicha técnica permite el ahorro de potencia al apagar BS con poca carga de tráfico siendo sus usuarios atendidos por las BS vecinas. Implementación: La realización de la técnica cell zooming puede incluir un servidor de celdas (implementado en la pasarela o distribuido en las BS) que detecta la información del estado de la red, como el tráfico, la calidad del canal y posteriormente hace las decisiones de cuando utilizar dicha técnica. Si hay una necesidad de ampliar o disminuir el tamaño de una celda, se coordinará con sus celdas vecinas con la ayuda del servidor. En la figura 1.4 se muestran los mecanismos utilizados para variar el tamaño de celda, estos mecanismos pueden ser clasificados en: adaptación física, cooperación de BS y la utilización de relays. El ajuste físico se puede hacer ya sea mediante el ajuste de las potencias de transmisión de BS o por el ajuste de la altura y la inclinación de la antena. La cooperación de BS, conocida también como transmisión coordina multipunto (CoMP: coordinated multipoint), significa que múltiples BS de forma cooperada transmiten o reciben a unidades móviles. Para un terminal móvil, un clúster de BS que transmiten o reciben de forma cooperada forma una nueva celda, el tamaño de esta nueva celda será la suma del tamaño de las celdas que conforman el clúster. La tercera variante es la utilización de relays, un relay se define como uno de los elementos de la red que puede ser fijo o móvil, mucho más sofisticado que un repetidor y tiene capacidades de almacenamiento y reenvío de datos, además de cooperar en la programación y procedimientos de enrutamiento; las técnicas de retransmisión también se pueden utilizar para el ajuste del tamaño de la celda debido a que los relays pueden. 14.

(26) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. ayudar a transferir el tráfico de una celda con tráfico pesado a otra que se encuentre con poca carga de tráfico [32].. Figura 1.4 Variantes de implementación de cell zooming: a) ajuste físico; b) cooperación entre BS y utilización de relays. Beneficios y Desafíos: Técnicas como SON pueden ser de utilidad en el equilibrio de carga, así como la conservación de energía, al decidir cuándo dispersar la carga para equilibrarla y cuando concentrarla para el ahorro de energía. Las ventajas de técnicas como cell zooming. incluyen una mejor experiencia de usuario, como un mejor. throughput y una mayor duración de la batería. Por ejemplo, una arquitectura celular de dos capas permite alcanzar un ahorro de energía de hasta el 40 % durante todo el día [32]. Cuando se utiliza la cooperación de BS y la utilización de relays, la interferencia entre celdas y efectos de desvanecimiento pueden ser mitigados, brindando una mayor ganancia de diversidad y mejor cobertura a los usuarios. Sin embargo, se avecinan suficientes retos para la realización en la práctica de estas redes, tales como la planificación de frecuencias de radio, la configuración de umbrales de conmutación, evitar la falta de señal en lugares de cobertura, trazar las fluctuaciones de carga de tráfico espacial y temporal. 1.3.3 Uso de los recursos de energía renovable. Los operadores de redes celulares en sitios fuera de la red eléctrica constantemente se basan en generadores diesel para alimentar las BS. Por otra parte, el combustible tiene que ser llevado físicamente al lugar, lo que aumenta aún más los costos. En esos lugares, los recursos energéticos renovables, como los biocombustibles sostenibles, la 15.

(27) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. energía solar y la eólica parecen ser las opciones más viables para reducir el gasto global de la red. Debido a que la energía renovable se deriva de los recursos que son regenerativos, las energías renovables no generan gases de efecto invernadero como el CO2. Según un reciente informe bianual por la GSMA, la aplicación de la tecnología green representa una solución técnicamente viable y económicamente atractiva, con un período de recuperación de menos de tres años en muchos sitios [33]. 1.3.4 Otras formas de reducir el consumo de energía en Estaciones Base. Dado que el consumo de energía de toda la red celular incluye la suma de la energía utilizada por cada BS, la reducción del número de BS tiene un impacto directo en el consumo de energía de una red celular. La utilización de bandas de baja frecuencia, implementar celdas con 6 sectores y antenas inteligentes ayudará a reducir al mínimo el número de BS [34]. Además del rediseño de hardware y nuevas características a nivel de sistema, existen varias soluciones a nivel de sitio que se pueden utilizar con el fin de ahorrar energía. Por ejemplo, hacer menos uso de la climatización implementando donde se pueda sitios al aire libre. También podrían implementarse unidades remotas de radiofrecuencias y diseño modular de BS para reducir las pérdidas de potencia en los cables de alimentación. Otra forma de mejorar la eficiencia energética de una BS es realizar algunos cambios en la arquitectura de la BS. Actualmente, la conexión entre el transmisor de radiofrecuencia y la antena se realiza por medio de cables coaxiales largos que añaden casi 3dB de pérdidas, por lo tanto nuevos diseños de cables para radiofrecuencia de bajas pérdidas de potencia serían una posible solución, a la vez que debe mantener tan cerca como sea posible el amplificador de potencia de la antena. 1.4. Planificación de la red: Despliegue de una red heterogénea.. La demanda de mayores tasas de transferencias de datos y el aumento de la cantidad de usuarios en redes inalámbricas celulares requiere un despliegue más denso de BS dentro de las celdas de la red. Considerando que las implementaciones de macroceldas o BS macro convencionales no son tan eficientes, puede que no sea económicamente viable modificar las arquitecturas actuales de la red. Las macroceldas son generalmente diseñadas para proporcionar una amplia cobertura y no son eficientes en la prestación de altas tasas de transferencia. Los modernos estándares de datos inalámbricos utilizan 16.

(28) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. esquemas de modulación adaptativa, lo que significa que cuanto mejor sea la calidad de la señal, mayor será la tasa de transferencia, por ello una BS es más eficiente cuando los usuarios dentro la celda están lo más cerca posible, y a la vez manifiesta en un menor consumo de la batería de terminal móvil. Celdas pequeñas (small cells) son puntos de acceso de baja potencia de radio que mejoran la cobertura de las redes móviles, con el fin de aumentar la capacidad y el tráfico de red de retorno a un menor costo. Al emitir con menos potencia y, en algunas ocasiones, utilizar antenas inteligentes que permiten la conformación del haz (beamforming), se reducen las interferencias entre celdas próximas y la vez se aumenta la calidad de la señal, redundando en un menor consumo de las baterías. Por ello muchos operadores están considerando una estrategia complementaria, donde las small cells, como microceldas, picoceldas y femtoceldas, se añaden sobre las macroceldas creando una red heterogénea, más compleja en términos de cobertura e interferencias, por lo que su planificación, gestión de canales radio y traspaso entre celdas (handover) resulta algo más complicada que en una red homogénea. Este enfoque puede, efectivamente, mejorar la eficiencia espectral mediante una operación en las bandas del espectro ya utilizadas por las celdas macro y a través de técnicas efectivas de reducción de la interferencia y la coordinación entre las capas macro y small cells, la capacidad de la red puede ser aumentada. Una red heterogénea, comúnmente, está formada por múltiples tecnologías de acceso de radio, arquitecturas superpuestas, soluciones de transmisión y BS de diversas potencias de transmisión. Una micro/picocelda es una celda de una red de telefonía móvil caracterizada por un bajo consumo que cubre una pequeña zona con tráfico denso (hotspots), como un centro comercial, zonas residenciales, un hotel o una estación de tren. Mientras que el rango típico de una micro/picocelda está en el orden de unos cientos de metros, las femtoceldas están diseñadas para servir a áreas muchas más pequeñas tales como casas y áreas interiores. La cobertura de una femtocelda es normalmente sólo unos pocos metros y por lo general se conectan a la conexión de banda ancha por cable a los propietarios privados o una línea digital de abonado (DSL: Digital Subscriber Line). Un análisis realizado por el órgano regulador de las comunicaciones en el Reino Unido OFCOM (Office of Communications) ha concluido de que el despliegue de femtoceldas podría tener una relación de ventaja en energía operacional de 7:1 sobre la expansión de una red de macrocelular homogénea para proporcionar cobertura en interiores 17.

(29) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. aproximadamente similares [25]. Otra ventaja de las small cell es que se pueden utilizar bandas de frecuencias más altas, adecuadas para proporcionar altas tasas de transferencias y también ofrecer la localización de transmisiones de radio. Sin embargo, un despliegue de demasiadas celdas pequeñas en una red heterogénea puede reducir la eficiencia general, ya que se tendría que operar bajo condiciones de tráfico bajo. Las redes heterogéneas resultan ser adecuadas para dar cobertura en zonas urbanas, donde hay presencia de muchos clientes y la demanda en servicios es mayor. Por lo tanto, en zonas donde existan. pocos usuarios, dicho despliegue no aportaría los. beneficios económicos esperados. Es evidente que las expectativas de los operadores se centrarían en aquellas zonas que sean más rentables, como son los hotspots, las zonas empresariales y comerciales. Por lo tanto, una cuidadosa investigación de diversas estrategias de implementación se debe realizar con el fin de encontrar cómo desplegar mejor las small cell. Algunos problemas que se deberán enfrentar mientras sea realiza el diseño de este tipo de redes son la predicción de la cobertura, la interferencia y la gestión de la movilidad, junto con los problemas de seguridad. 1.5. Uso de nuevas tecnologías: radio cognitiva y comunicación cooperativa.. Recientemente, la investigación en tecnologías como la radio cognitiva y la comunicación cooperativa ha recibido una gran atención por la industria y el mundo académico. Mientras que la radio cognitiva es un sistema de comunicación inalámbrica inteligente y adaptable que permite que se utilice el espectro radioeléctrico de una manera más eficiente, la comunicación cooperativa proporciona muchas mejoras en el rendimiento y la cobertura en las redes inalámbricas. Sin embargo, la evolución de estas dos tecnologías también permite resolver el problema de la eficiencia energética a través de la transmisión de radio inteligente y procesamiento distribuido de la señal. En los sub-epígrafes siguientes, se discuten cómo es posible alcanzar una comunicación green en los sistemas celulares utilizando la radio cognitiva y comunicación cooperativa. 1.5.1 Comunicación green vía radio cognitiva. La eficiencia de ancho de banda ha sido siempre una preocupación crucial cuando se trata de una comunicación inalámbrica, lográndose diseñar muchos sistemas eficientes 18.

(30) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. en ancho de banda. Sin embargo, un análisis realizado en [35] aún demuestra que el espectro asignado actualmente se encuentra subutilizado, de ahí la importancia que juega la radio cognitiva. El objetivo principal de la radio cognitiva es obtener información sobre el uso del espectro para tratar de acceder a las bandas de frecuencias no utilizadas de manera inteligente, con el fin de compensar esta subutilización del espectro. El ahorro de energía a través del uso más eficiente del espectro puede ser alcanzado si se analiza la fórmula de la capacidad de Shannon [36], de esta se deduce que la capacidad varia de forma aproximadamente lineal con el ancho de banda, pero sólo logarítmicamente con la potencia; esto significa que para alcanzar una capacidad dada es más factible de lograrse haciendo mayor uso de más ancho de banda en lugar potencia; la utilización de más ancho de banda es posible gracias a la gestión óptima y dinámica del espectro que realiza la radio cognitiva. Se ha demostrado que hasta el 50% de la energía se puede ahorrar si el operador gestiona dinámicamente el espectro en actividades tales como movimiento dinámico de usuarios dentro de bandas particularmente activas hacia otras o una mejor distribución del espectro que permita aumentar el ancho de banda del canal [37]. 1.5.2 Comunicación green vía comunicación cooperativa. En las redes inalámbricas es de interés el incremento de la cobertura asociada a las BS. Sin embargo garantizar la transmisión directa con usuarios distantes resulta costoso en términos de consumo energético, debido a las pérdidas de trayecto y los efectos de desvanecimiento de la señal. Adicionalmente el incremento de la potencia de transmisión eleva los niveles de interferencia provocada a celdas vecinas. En los últimos años, se han propuesto técnicas de comunicación cooperativa para crear un sistema MIMO virtual, donde la instalación de antenas de gran tamaño en pequeños dispositivos tales como terminales móviles no es posible. Por lo tanto, el uso de la comunicación cooperativa, permite lograr características deseables de los sistemas MIMO como ampliación de la zona de cobertura y mejoras en la capacidad [38]. Las primeras investigaciones con el fin de lograr una comunicación green han demostrado que las técnicas de retransmisión cooperativa extienden la duración de la batería, que es el primer paso hacia redes celulares green [39]. Específicamente, una comunicación por múltiples saltos divide una ruta directa entre los terminales móviles y la BS en varios enlaces más cortos, en el que degradaciones del canal inalámbrico, tales como las 19.

(31) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. pérdidas de trayecto son menos destructivas, y consecuentemente, menor potencia de transmisión se puede asignar a la BS y a los relays. La comunicación green a través de técnicas de cooperación se puede lograr mediante dos enfoques diferentes; el primero es la instalación de relays fijos dentro del área de cobertura de la red con el fin de dar servicio a más usuarios utilizando menos energía y el segundo enfoque es aprovechar los usuarios para que actúen como relays. Mientras que el segundo escenario elimina el coste de la instalación de relays, aumenta la complejidad del sistema, sobre todo porque algoritmos centralizados o distribuidos deben ser diseñados para seleccionar dinámicamente relays entre los usuarios, así como nuevos terminales móviles de usuario tienen que ser diseñado de tal manera que permitan implementar dicha técnica. En los dos apartados siguientes, se discuten estos dos escenarios. 1) Comunicación green vía relays fijos: La instalación de nuevas BS con el fin de tener una mayor densidad de BS puede ser muy costosa, instalar relays en lugar de nuevas BS es económicamente ventajoso, y no introduce mucha complejidad a la red. En primer lugar, los relays no tienen que ser tan alto como las BS porque se admite que cubren un área más pequeña con una menor potencia [38]. En segundo lugar, los relays pueden conectarse de forma inalámbrica a una BS, en lugar de estar unido a la red backhaul por cable, utilizando una interfaz complicada. Todas estas razones hacen la instalación de relays una solución potencial para tener más redes celulares de bajo consumo. 2) Comunicaciones green vía cooperación de usuarios: La cooperación de usuario ha demostrado que no sólo aumenta la tasa de transferencia, sino también que el sistema se vuelve más robusto, es decir, las tasas alcanzables son menos sensibles a variaciones del canal [40]. A pesar de todas estas ventajas, los problemas de eficiencia energética de la cooperación de usuarios hacen que esta tecnología no sea muy atractiva; la razón es que un aumento de la tasa de transferencia de un usuario significa un aumento de la energía consumida por otro usuario que actúa como un relay. El tiempo de vida de la batería limitado de usuarios móviles en una red móvil conduce a que algunos usuarios no se sientan incentivados a cooperar. Por ello,. 20.

(32) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. en [41] se aborda como la cooperación de usuario podría mejorar la eficiencia de energía. 1.6. Diseño: dirección de la eficiencia energética en generaciones futuras de sistemas inalámbricos.. En las secciones anteriores, se discutió cómo la radio cognitiva y la comunicación cooperativa se convertirán en las tecnologías claves para solucionar los temas relacionados con el consumo energético en las redes celulares, a pesar de las ventajas ofrecidas por esas nuevas tecnologías aparecen nuevos inconvenientes energéticos tras su utilización. 1.6.1 Detección de espectro de baja energía. El uso de la radio cognitiva requiere frecuentemente la detección del espectro y el procesamiento de los datos de sensores lo que requiere energía adicional. Técnicas de baja complejidad para la detección espectro tales como la detección de energía requiere largos períodos de tiempo para detectar con precisión una señal de primaria y hasta pudieran fallar en la detección si la relación señal a ruido (SNR: Signal to Noise Ratio) es baja [42]. Debido a ello, detectores que explotan la ciclo-estacionalidad de las señales primarias han sido estudiados, ya que se desempeñan mejor a baja SNR, sin embargo, son altamente complejos y requieren una potencia de procesamiento significativa. Por lo tanto, el diseño de detectores ciclo-estacionarios de baja complejidad debe ser mejor investigado. Una detección cooperada del espectro mejoría la detección mediante el uso de la diversidad espacial entre varios sensores [42]. Sin embargo, la detección cooperativa también aumentaría la señalización de cabecera y por consiguiente, el consumo de energía. Al tomar en consideración la energía consumida para la detección, procesamiento y transmisión de datos de los sensores, debe encontrarse las condiciones bajo las cuales la detección con cooperación sea más eficiente energéticamente. Nuevas estrategias deberían ser diseñadas para seleccionar los sensores a participar en una detección cooperada ya que se podría reducir la potencia consumida sin pérdidas graves en la detección. Además, la ubicación óptima de los sensores debe determinarse pues haría más eficiente el sistema de detección de energía en presencia de un único usuario primario o múltiples usuarios primarios.. 21.

(33) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. Una arquitectura de detección basada en clúster. ha demostrado. lograr una alta. eficiencia energética y por lo tanto estos diseños basados en grupos deben ser considerados en nuevas investigaciones [43]. Técnicas de detección secuenciales también deben ser exploradas para mejorar la eficiencia energética del sistema [44]. Detección compresiva ha sido propuesta recientemente para reducir la complejidad de la detección de ancho de banda mediante el muestreo a una tasa significativamente inferior a la tasa de Nyquist, tomando ventaja de la naturaleza dispersa de la utilización del espectro de radio [45]. Por lo tanto, los sistemas de detección cooperativos con compresión del espectro es también una posible línea de investigación. 1.6.2 Aplicaciones conscientes de la energía: control de acceso al medio y enrutamiento green. El control de acceso al medio (MAC:Medium access control) en sistemas inalámbricos cooperativos y cognitivos introduce una serie de nuevos desafíos que no son vistos en los sistemas inalámbricos tradicionales. Por ejemplo, la coordinación de acceso al medio en presencia de múltiples relays con distintas características de canal requiere un MAC mucho más ágil y adaptable en los sistemas cooperativos. En los sistemas de radio cognitiva, la precisión de la detección, la duración y variabilidad en el tiempo de la disponibilidad de canales de usuario primarios son algunos de los factores que afectan al diseño de la capa MAC. La necesidad de optimizar el consumo de energía suma además otra dimensión que puede estar en conflicto con el objetivo de lograr un mejor desempeño del sistema, la satisfacción del usuario y la QoS. Muchos de los sistemas inalámbricos de cooperación y cognitivos se basan en la comunicación de múltiples saltos entre un transmisor y su receptor previsto. Aunque existen esquemas MAC y enrutamientos especializados para redes de cooperación y cognitivas [46], [47], poco se ha investigado con respecto a la eficiencia energética de este tipo de sistema. Algunos mecanismos de enrutamiento y de la capa MAC con el fin de mejorar la eficiencia de energía se muestran inicialmente para las redes de sensores inalámbricos [48], [49]. Sin embargo las redes de sensores son muy diferentes a los sistemas cooperativos y cognitivos en sistemas dinámicos y en cuanto a objetivos de desempeño. Por ello, para las redes celulares deben ser investigados nuevos diseños de esquemas MAC y protocolos de enrutamiento más eficiente en energía.. 22.

(34) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. En el estándar UMTS original, se asumía una simple solicitud de repetición automática (ARQ:Automatic Repeat reQuest), con HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) se introduce una versión modificada, conocida como HARQ (Hybrid ARQ). HARQ es capaz de almacenar temporalmente los datos erróneos en un búfer que además pueden ser combinados con paquetes de datos recibidos anteriormente para aumentar la probabilidad de decodificación correcta [50]. De esta manera, se minimiza la cantidad de retransmisiones, pudiendo hacer un uso más eficiente de los recursos radio. Puede emplearse típicamente en la capa MAC para mejorar la QoS y robustez en aplicaciones no sensibles al retraso. Hay tres subclases importantes de protocolos HARQ: HARQ- IT (IT, I Type), en HARQ de Tipo I los paquetes de datos erróneos son retransmitidos para una detección sin memoria, HARQ-CC (CC:Chase Combining), en HARQ por Combinación Seguida los paquetes con error se conservan para una combinación suave y HARQ-IR (IR:Incremental Redundancy), en HARQ por Redundancia Incremental cada retransmisión contiene bits de información diferentes al anterior. Los futuros protocolos MAC para sistemas cognitivos y de cooperación que emplean HARQ tienen el potencial de reducir el consumo de energía en sistemas inalámbricos. En los sistemas cooperativos, se accede al tiempo tanto por las transmisiones directas como por las que necesitan ser retransmitidas para la cooperación, esta última adiciona más consumo de energía a la red. La investigación futura en el desarrollo de un protocolo MAC que sea capaz de cuantificar adecuadamente el aumento de la QoS contra cualquier consumo de energía adicional y coordinar el acceso al medio entre las transmisiones directas y retransmitidas, será importante. Mientras se logra este objetivo, también debe ajustarse a los regímenes de baja complejidad, para que el ahorro de energía alcanzado no se desperdicie en un incremento de la potencia de procesamiento. Nuevos protocolos de enrutamiento en un sistema cooperativo de saltos múltiples, deberán ser creados de tal forma que elija el camino más eficiente en energía dado los relays que hayan sido seleccionados por la asignación de recursos y esquemas MAC. Con el fin de facilitar el funcionamiento de mecanismos específicos, se deben explorar modelos analíticos que puedan cuantificar el equilibrio entre el ahorro de energía y la QoS de extremo a extremo desde la selección de rutas alternativas. En este sentido, ya se ha producido un desplazamiento de protocolos por inundación (flooding) y jerárquicos a soluciones de enrutamiento geográfico y de auto-organización coordinado; el grupo de trabajo Internet Engineering Task Force (IETF) de enrutamiento sobre redes 23.

(35) CAPÍTULO1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COMUNICACIÓN GREEN. de baja potencia y pérdidas (ROLL:Routing Over Low power and Lossy networks) se esfuerza en la estandarización de protocolos de enrutamiento para redes de baja pérdida y energía (RPL: Routing Protocol for Low power and lossy networks) [51], [52]. Para las redes cognitivas, la eficiencia energética en la capa MAC se puede aumentar significativamente si el mecanismo de acceso se ha diseñado para evitar colisiones entre usuarios primarios y secundarios. Los protocolos actuales basados en acceso aleatorio deben modificarse para lograr este objetivo en un entorno donde la capa MAC sea distribuida y cognitiva con la menor complejidad del sistema que sea posible. La información estadística de los canales disponibles puede ser usado para proveer de la QoS necesaria [53], pero considerando la eficiencia de energía como un intercambio. El desarrollo de modelos analíticos que relacione parámetros importantes de estos métodos de acceso aleatorio con el consumo de energía y la QoS, permitirá a los diseñadores de sistemas seleccionar los parámetros óptimos para minimizar el consumo de energía al tiempo que se satisface una QoS deseada. En una red con tecnología radio cognitiva de saltos múltiples, debido a la presencia del espectro de un usuario primario, rutas más eficientes de energía pueden ahora ser seleccionadas que no estarían disponibles sin este tipo tecnología. Los algoritmos de enrutamiento deben diseñarse de manera que puedan utilizar estas rutas adicionales para reducir al mínimo el consumo de energía. 1.6.3 Gestión eficiente de los recursos energéticos. El consumo de energía en las redes inalámbricas está estrechamente relacionado con sus planes de gestión de recursos. En [54] y [55] se aborda la gestión eficiente de los recursos. para sistemas inalámbricos basados en arquitecturas. cooperativas y. cognitivas. Para los sistemas de cooperación, mecanismos de retransmisión que minimicen el consumo de energía al tiempo que satisface cierto criterio de QoS deben ser investigados. También necesita explorarse esquemas distribuidos basados en modelos económicos, con la energía como un costo en la función de utilidad general; específicamente, deben tenerse presente tres aspectos esenciales dentro de los sistemas cooperativos que pueden ser clasificados en: - Dónde colocar los relays: que se centra en obtener la geometría óptima de su ubicación, en términos de consumo de energía, dentro de una celda con diferente número de relays y luego también optimizar el número de relays. 24.