Impacto del empleo de múltiples radios por usuario cognitivo sobre el costo energético del proceso de Rendezvous

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA. Impacto del empleo de múltiples radios por usuario cognitivo sobre el costo energético del proceso de Rendezvous. Autor: Beatriz Fortún Tavio. Tutor: Dr. C. Erik Ortiz Guerra.. Santa Clara 2016 “Año 58 de la Revolución”.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA. Impacto del empleo de múltiples radios por usuario cognitivo sobre el costo energético del proceso de Rendezvous. Autor: Beatriz Fortún Tavio. E-mail: [email protected] Tutor: Dr. C. Erik Ortiz Guerra. E-mail: [email protected]. Santa Clara 2016 “Año 58 de la Revolución”.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicado 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 de Telecomunicaciones y Electrónica.. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) PENSAMIENTO. “Lo importante es no dejar de hacerse preguntas.” Albert Einstein. i.

(5) DEDICATORIA. A mi madre por su apoyo y sacrificio…. ii.

(6) AGRADECIMIENTOS. A mi mamá, mi padre, mis abuelos y toda mi familia por su apoyo y ayuda, por estar ahí en todo momento y empujarme a no darme jamás por vencida. A mi novio maravilloso, porque sin él no habría sido posible llegar hasta aquí y completar esta tarea. A todos los que han cooperado en mi formación profesional, a mis profesores, especialmente a mi tutor Erik por su ayuda y su paciencia. A mi compañero Rolando Paz Herrera y todos los que de alguna manera me ayudaron a superar obstáculos y alcanzar todas mis metas durante la carrera. A todos muchas Gracias.. iii.

(7) TAREA TÉCNICA Con el propósito de cumplir con los objetivos trazados para la realización de esta tesis, se tomaron en cuenta para la confección del informe final las siguientes tareas técnicas: . Caracterización del proceso de Rendezvous en redes radio cognitivas.. . Análisis de las ventajas de la utilización de múltiples radios en algoritmos de Rendezvous ciego.. . Caracterización de algoritmos de Rendezvous ciego propuestos en los últimos años.. . Análisis de las consideraciones energéticas asociadas a las redes radio cognitivas, con múltiples radios por usuario.. . Evaluación mediante simulación de eventos discretos del desempeño de los algoritmos con múltiples radios escogidos, atendiendo al tiempo de Rendezvous y al costo energético.. . Evaluación mediante simulación de la relación de compromiso que se establece entre el TTR y el costo energético ante el incremento del número de radios.. Firma del Autor. Firma del Tutor. iv.

(8) RESUMEN La Radio Cognitiva surge como solución para el problema de ineficiencia espectral existente. El Rendezvous es un proceso esencial en redes radio cognitivas, y cuando estas son heterogéneas, descentralizadas, de gran tamaño y sin sincronismo entre usuarios, la mejor alternativa son los algoritmos de Rendezvous ciego. El principal objetivo de estos algoritmos es minimizar el tiempo de Rendezvous, por lo que se ha desarrollado la idea de utilizar múltiples radios, pero es importante verificar que no se afecte injustificablemente el costo energético asociado al funcionamiento simultáneo de dichos dispositivos. El objetivo del presente trabajo es analizar la relación de compromiso que toma lugar entre el consumo energético y el tiempo de Rendezvous cuando son empleados múltiples radios. Se seleccionaron los algoritmos RPS y G-FDCH-CS para efectuar simulaciones y compararlos atendiendo a su rendimiento. En los escenarios simulados, con el aumento del número de radios, el costo energético por ranura de tiempo aumenta, aunque este comportamiento no se manifiesta de igual manera en ambos algoritmos debido a las estrategias que utilizan para dividir y asignar roles a los radios. Mientras el RPS aumenta linealmente, el G-FDCH-CS aumenta de manera escalonada, mostrando este último un mejor desempeño.. v.

(9) LISTA DE ABREVIATURAS UIT. Unión Internacional de Telecomunicaciones. GSM. Sistema Global para las Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile Communications). ISM. Banda espectral dedicada a la industria médica y científica (Industrial, Scientific and Medical). SR. Radio Software (Software Radio). SDR. Radio definida por software (Software-Defined Radio). IF. Frecuencia Intermedia (Intermediate Frequency). ADC. Bloque conversor de señal analógica a digital (Analog to Digital Converter). DDC. Digital Down Conversion. DAC. Bloque conversor de señal analógica a digital (Digital to Analog Converter). DUC. Digital Up Conversion. RC. Radio Cognitiva. UP. Usuario Primario. US. Usuario Secundario. UC. Usuario Cognitivo. QoS. Calidad de Servicio. MAC. Control de Acceso al Medio (Medium Access Control). CCC. Canal de Control Común (Common Control Channel). SC. Salto de Canal. GOS. Secuencia Ortogonal Generada (Generated Orthogonal Sequence). ACH. Salto de Canal Asincrónico (Asynchronous Channel Hopping). RW. Camino en anillo (Ring-Walk). Tx. Transmisor. Rx. Receptor. TTR. Tiempo de Rendezvous (Time to Rendezvous). ETTR. TTR Promedio (Expected TTR). vi.

(10) MTTR. TTR Máximo (Maximum TTR ). RPS. Role-Based Parallel Sequence. G-FDCH-CS. Generalized-Full Diversity Channel Hopping-Common Strategy. WLAN. Red de Acceso Local Inalámbrica (Wireless Local Access Network). RTS. Solicitud de envío (Request to Send). CTS. Permiso de envío (Clear to Send). ACK. Reconocimiento (Acknowledgement). SRD. Dispositivo de corto alcance (Short Range Device). vii.

(11) TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ................................................................................................................................ i TAREA TÉCNICA ........................................................................................................................... iv RESUMEN..........................................................................................................................................v LISTA DE ABREVIATURAS ......................................................................................................... vi TABLA DE CONTENIDOS........................................................................................................... viii INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 1 CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ............. 4 1.1 Regulación y ocupación del espectro radioeléctrico............................................................. 4 1.2 Definición y evolución de la Radio Cognitiva. ...................................................................... 5 1.2.1 Características de la Radio Cognitiva ............................................................................ 7 1.3 Arquitectura de las redes Radio Cognitivas ......................................................................... 8 1.3.1 Funciones principales de las Redes Radio Cognitivas ................................................... 9 1.4 El Rendezvous en redes radio cognitivas ............................................................................. 10 Arquitectura de los algoritmos de Rendezvous ..................................................... 11. 1.4.1 1.5. Algoritmos de Rendezvous ciego .................................................................................... 13. 1.6. Utilización de múltiples radios en Rendezvous ciego .................................................... 15. 1.7. Consideraciones finales del capítulo .............................................................................. 17. CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS. ........................................................................................................ 18 2.1 Consideraciones energéticas de las Redes RC .................................................................... 18 2.1.1 Mecanismo de Señalización RTS-CTS ......................................................................... 20 2.1.2 Caracterización de radios cognitivos típicos ................................................................ 21 2.2 Modelación del sistema ......................................................................................................... 23 2.3 Selección de los algoritmos ................................................................................................... 23 2.4 Descripción del algoritmo RPS ............................................................................................ 24 2.5 Descripción de los algoritmos FDCH-CD y G-FDCH-CD................................................. 26 2.6 Consideraciones finales del capítulo .................................................................................... 30 CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN ENERGÉTICA Y COMPARACIÓN DE LOS ALGORITMOS............................................................................................................................... 31 3.1 Entorno de simulación de los algoritmos ............................................................................ 31 3.2 Resultados en términos de ETTR y MTTR ........................................................................ 32 viii.

(12) 3.3 Resultados en términos de costo energético. ....................................................................... 35 3.3.1 Resultados en el escenario con iguales potencias de transmisión y recepción. ......... 35 3.3.2 Resultados en el escenario con potencia de recepción mayor que de transmisión. .. 40 3.3.3 Resultados en el escenario con potencia de transmisión mayor que de recepción. .. 42 3.4 Consideraciones finales del capítulo .................................................................................... 43 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................ 45 Conclusiones ................................................................................................................................ 45 Recomendaciones ........................................................................................................................ 46 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 47 ANEXOS .......................................................................................................................................... 50 ANEXO 1 Errores en las simulaciones para el cálculo de los tiempos de ETTR y los tiempos en los distintos modos de operación de los radios .................................................................... 50 ANEXO 2 Comportamiento de la relación de compromiso que se establece entre el ETTR y el costo energético por ranura de tiempo ante el aumento del número de radios (gamma) para los algoritmos RPS y G-FDCH-CS en los escenarios 2 y 3 ............................................. 53. ix.

(13) INTRODUCCIÓN.

(14) INTRODUCCIÓN ________________________________________________________________________________. INTRODUCCIÓN En la actualidad, la explotación de gran parte del espectro radioeléctrico se realiza de forma ineficiente, debido a las políticas de asignación fija de las bandas de frecuencia. Como resultado, las porciones de acceso liberado del espectro se utilizan intensivamente y se encuentran congestionadas, mientras que algunas bandas de acceso restringido están parcial o totalmente desocupadas la mayor parte del tiempo. Según Bordón et al., ¨El éxito de las nuevas tecnologías y servicios de comunicaciones inalámbricas en las bandas de acceso libre ha motivado el desarrollo de novedosas técnicas que posibilitan la utilización del espectro de una forma inteligente, coordinada y oportunista, sin perjudicar a los servicios existentes¨ (Bordón and Montejo, 2015). Las técnicas de Acceso Dinámico al Espectro han sido desarrolladas en Redes Radio Cognitivas, tanto para resolver la situación del acceso a la restringida porción libre del espectro, como para optimizar la eficiencia en el uso de las bandas reservadas. Con la Radio Cognitiva se pueden detectar porciones libres del espectro, saltar entre ellas hasta crear un enlace de comunicación y hacerlo de manera que no interfiera con los dispositivos nativos, que son aquellos que tienen licencia para utilizar ese espectro (Moya, 2011). Estos usuarios, reconocidos como autorizados para utilizar un recurso espectral, se denominan, en el marco de la Radio Cognitiva, como usuarios primarios, mientras el resto de los usuarios que compiten por acceder a los canales de acceso libre se conocen como usuarios secundarios o cognitivos (Liu et al., 2012a). Para el establecimiento de la conexión entre dos usuarios cognitivos es imprescindible que ambos coincidan en un canal de comunicación en el mismo instante de tiempo e intercambien información de señalización, este proceso es lo que se conoce como Rendezvous y resulta imprescindible para las redes Radio Cognitivas (Pérez et al., 2015). Una variante de gran simplicidad para lograr el Rendezvous lo constituye el empleo de un canal de control común, en este caso los usuarios cognitivos eligen un canal pre-asignado para establecer la comunicación. El establecimiento y mantenimiento de este canal suele ser una tarea difícil en las redes Radio Cognitivas, por lo que en los últimos años han sido consideradas las secuencias de salto de canal como una alternativa frente al canal de control común. En las técnicas de salto de canal cada usuario cognitivo emplea una secuencia de salto e intenta 1.

(15) INTRODUCCIÓN ________________________________________________________________________________. coincidir con sus vecinos en un mismo canal, esta alternativa se conoce como Rendezvous ciego (Liu et al., 2012a). Inicialmente los algoritmos de Rendezvous ciego consideran la utilización de un solo radio cognitivo en cada uno de los usuarios secundarios, sin embargo, el avance tecnológico asociado a la fabricación de los mismos condujo a una disminución de los precios de producción. De esta manera se abrió paso a la explotación de los algoritmos con múltiples radios logrando reducir el tiempo de Rendezvous y por tanto los valores asociados a este, o sea el tiempo esperado para el Rendezvous y el máximo tiempo para Rendezvous, los que constituyen las métricas fundamentales para evaluar el desempeño de dichos algoritmos. El empleo de múltiples radios permite a los usuarios cognitivos realizar más de un papel en la comunicación puesto que pueden transmitir y recibir al mismo tiempo, pero este aumento del número de dispositivos de radio equipados en los usuarios exige un incremento del costo energético requerido para su funcionamiento. Realizar un estudio sobre el consumo energético de los múltiples radios en algoritmos de Rendezvous ciego es de sumo interés para el mundo actual; donde la tendencia es la utilización cada vez mayor de equipos móviles. El análisis detallado del tema de la energía, proporciona mayor eficiencia a la Radio Cognitiva al describir el desempeño de la relación de compromiso que se establece entre el consumo energético y el tiempo de Rendezvous ante el empleo de múltiples radios. El objetivo general del presente trabajo es: Analizar la relación de compromiso que toma lugar entre el consumo energético y el tiempo de Rendezvous cuando son empleados múltiples radios. Para dar cumplimiento al objetivo general fueron trazados los siguientes objetivos específicos: -. Describir el proceso de Rendezvous en redes radio cognitivas y las consecuencias asociadas al incremento del número de radios.. -. Seleccionar y describir algoritmos de relevancia basados en el empleo de múltiples radios.. -. Evaluar mediante simulación, el costo energético asociado a la reducción del TTR a través del empleo de múltiples radios en los usuarios cognitivos. 2.

(16) INTRODUCCIÓN ________________________________________________________________________________. Con la ejecución del proyecto, se dan soluciones a problemáticas modernas vinculadas con la tendencia actual a desarrollar dispositivos móviles, diseñados para mantener el acceso a conexiones inalámbricas casi permanentes, increíblemente rápidas y con el menor costo energético posible. Al evaluar los algoritmos de Rendezvous en cuanto a la relación de compromiso que se establece entre el tiempo de Rendezvous y el consumo energético ante el incremento del número de radios, se brinda información que resulta de interés para los especialistas en la implementación de aplicaciones que cumplan con las expectativas de conexión rápida y confiable, mediante un mínimo posible de costo energético. Por otra parte el desarrollo de esta investigación no requiere recursos adicionales a los ya existentes en la Facultad de Ingeniería Eléctrica, además, para la ejecución de las pruebas necesarias se emplea la simulación de eventos discretos por medio de la herramienta MATLAB 10 con el objetivo de obtener resultados sin gasto económico alguno. El informe de la investigación está estructurado en: introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos. En el primer capítulo se abordan aspectos generales de distribución y regulación del espectro radioeléctrico, donde se analiza el problema de sub-utilización espectral y se define el concepto de radio cognitiva como solución a este problema. Se profundiza en las técnicas de salto de canal para alcanzar el Rendezvous y las consecuencias de la utilización de múltiples radios para el desempeño de los algoritmos existentes. En el segundo capítulo se describen los algoritmos de Rendezvous Con. múltiples radios que se utilizan en las simulaciones. Se lleva a cabo una observación de. los costos energéticos asociados a los radios cognitivos extras. Además, se establecen los procedimientos necesarios para analizar el comportamiento del consumo energético de los diversos algoritmos. En el capítulo tres se muestran los resultados obtenidos por medio de la simulación de los diferentes algoritmos descritos. Se efectúa un estudio del comportamiento de los mismos ante el aumento del número de radios y se comparan mediante la realización de un análisis en términos de valor esperado para el tiempo de Rendezvous y consumo energético por ranura de tiempo. En las conclusiones se pretende hacer una valoración del alcance de este trabajo y revelar la importancia de los resultados obtenidos. Las recomendaciones constituyen un análisis de la posible expansión hacia futuras investigaciones del proyecto realizado.. 3.

(17) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS.

(18) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS Las formas estáticas de las políticas de asignación del espectro provocan un uso ineficiente del mismo. El auge de las comunicaciones inalámbricas que utilizan las bandas de acceso libre ha llevado a la congestión de las mismas y a la necesidad de implementar redes Radio Cognitivas. Para el establecimiento de la conexión entre dos usuarios cognitivos es imprescindible que se logre el Rendezvous. Una alternativa para llevar a cabo este proceso en redes de gran tamaño lo constituye el Rendezvous ciego. Al analizar el desempeño de los algoritmos es importante tener en cuenta el tiempo de Rendezvous, por lo que se ha desarrollado la idea de que trabajen con múltiples radios por usuario cognitivo de manera que disminuya este parámetro. Sin embargo, el aumento en el número de radios cognitivos puede traer aparejado un aumento en la complejidad del sistema y en los costos económico y energético. 1.1 Regulación y ocupación del espectro radioeléctrico El espectro radioeléctrico es un recurso natural limitado compuesto por el conjunto de ondas electromagnéticas y que abarca convencionalmente todas las frecuencias por debajo de 3000 GHz, que se propagan por el espacio sin necesidad de guía artificial. Este recurso es utilizado para la prestación de servicios de telecomunicaciones, radiodifusión sonora y televisión, seguridad, defensa, emergencias, transporte e investigación científica, así como para un elevado número de aplicaciones industriales y domésticas (Pedraza et al., 2014). En la mayoría de los países el acceso al espectro radioeléctrico se gestiona mediante un sistema de asignación, distribución y autorización de frecuencias. Mediante el proceso de asignación, el espectro radioeléctrico se divide en bandas de frecuencias establecidas para cada tipo de servicio en particular. Las distribuciones constituyen la subdivisión final del espectro, donde a cada cliente en particular se le otorga una autorización para transmitir en un canal o grupo de canales, en determinada ubicación, bajo condiciones específicas y por un tiempo relativamente largo (Bonet et al., 2008).. 4.

(19) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. Estas facultades de gestión y administración del espectro radioeléctrico quedan establecidas en el cuadro de atribución de frecuencias de cada país, conforme lo acordado en las Conferencias Mundiales de Radiocomunicaciones (C. Autores, 1998) de la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) (Cordeiro et al., 2005). Dicho documento permite que los diferentes servicios de radiocomunicación del país, operen en bandas de frecuencias definidas previamente para cada uno de ellos, con el fin de asegurar su funcionamiento, minimizar la probabilidad de interferencias objetables y permitir la coexistencia de servicios de telecomunicaciones dentro de una misma banda de frecuencias, en caso de ser necesario. A pesar de este minucioso proceso de planificación del espectro radioeléctrico, esta porción del mismo previamente adjudicada, está siendo infrautilizada por sus propietarios, lo cual conlleva un desperdicio de recursos espectrales. Esto es debido a que muchas bandas de frecuencia no se utilizan eficientemente, o incluso no se utilizan en absoluto, como es el caso de ciertas bandas explotadas por operadores de radioaficionados o de televisión, en las que se producen variaciones en la utilización del espectro asignado, de entre un 15 y un 85 por ciento, ya sean temporales o geográficas (Akyildiz et al., 2006). Sin embargo, existe una gran concentración en las bandas de libre acceso que sí se utilizan la mayor parte del tiempo, incluso en bandas por debajo de los 3GHz, las cuales son particularmente valiosas para los sistemas inalámbricos debido a sus favorables características de propagación, por ejemplo la banda GSM (Global System for Mobile Communications) para sistemas celulares y la ISM (Industrial, Scientific and Medical) para Wifi, Bluetooth y microondas, están fuertemente utilizadas (Harrison et al., 2010). 1.2 Definición y evolución de la Radio Cognitiva. En la actualidad, existe una demanda creciente de espectro para la consolidación de nuevos servicios inalámbricos como los sistemas de comunicaciones móviles, las redes de difusión de televisión digital terrestre o los diversos sistemas de acceso inalámbrico de banda ancha. Esto ha llevado al agotamiento de las bandas de acceso libre destinadas para las comunicaciones inalámbricas. Como solución al problema existente se plantea como reto la obtención de un sistema reconfigurable que pudiese cambiar sus parámetros de forma automática, dependiendo de las demandas de los usuarios y de la red. Joseph Mitola define. 5.

(20) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. en (Mitola, 1995) el concepto de Radio Software (SR, Software Radio) como una radio reprogramable o reconfigurable en la que sus parámetros son definidos por un software. En un sistema SR la digitalización de la señal se realiza lo más próxima posible a la antena. Sin embargo, el estado actual de la tecnología hace que un sistema SR ideal no se pueda implementar, por eso se considera la idea de la Radio Definida por Software SDR (SoftwareDefined Radio) como una versión de un SR implementado con la tecnología disponible, donde la conversión se realiza en la etapa de Frecuencia Intermedia (IF), tras un filtrado selectivo. La estructura básica de un sistema SDR se compone de tres bloques o etapas, tal y como se muestra en la Figura 1.1. La etapa de RF se encarga de transmitir/recibir las señales de radiofrecuencia para, en el caso de recepción, adecuarlas y convertirlas a frecuencia intermedia o bien, en el caso de transmisión, amplificar y modular las señales de IF ajustándolas para su posterior transmisión vía radio. Este proceso de acomodo se realiza en la etapa de recepción por medio de los bloques ADC (Analog to Digital Converter) y DDC (Digital Down Conversion), mientras en la etapa de transmisión toman partido el DAC (Digital to Analog Converter) y el DUC (Digital Up Conversion) (Aguilar and Navarro, 2011).. Figura 1.1. Diagrama en bloques de Radio Definida por Software. Adaptada de figura 3 en (Cereceda, 2011).. 6.

(21) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. El término Radio Cognitiva (RC) ha recibido numerosas definiciones (Commission, 2003; Jondral, 2005), sin embargo, todas coinciden con el concepto básico dado por Joseph Mitola (Mitola, 2000) en el año 1999, donde nombraba un dispositivo de RC como una pequeña parte del mundo físico, capaz de detectar las necesidades de comunicación de su usuario y, mediante la adquisición de conocimiento de su entorno, disponer los mecanismos para satisfacer dichas necesidades. La RC surge como una solución al problema de ineficiencia espectral para las nuevas tecnologías de comunicaciones inalámbricas. Se basa en el reaprovechamiento de las porciones del espectro reservado que no están siendo utilizadas por los usuarios nativos, sin interferir en las transmisiones de los mismos. 1.2.1 Características de la Radio Cognitiva La RC difiere de la radio convencional en tres aspectos fundamentales: capacidad cognitiva, capacidad de aprendizaje y adaptación y capacidad de auto-reconfiguración (Bordón and Montejo, 2015). La capacidad cognitiva se refiere a la habilidad de obtener información del estado interno del propio sistema y del entorno circundante, por medio del empleo de múltiples sensores. Esta tarea es imprescindible para desarrollar la operación de adaptación en las redes RC y requiere de un proceso conocido como ciclo cognitivo que sigue los siguientes pasos: exploración, análisis y decisión del espectro. Durante la exploración los radios cognitivos monitorean las bandas de frecuencia, capturan la información de las mismas y detectan los espacios inutilizados. Luego, la información recogida de las porciones en desuso pasa por un proceso de interpretación y análisis que permite decidir la banda del espectro apropiada para la comunicación. Además la RC determina la razón de datos, el modo de transmisión y el ancho de banda acorde a las características del entorno y requerimientos del sistema (Akyildiz et al., 2006). La capacidad de aprendizaje y adaptación permite utilizar la información percibida sobre el medio para modificar automáticamente y de forma dinámica los parámetros de operación del sistema mediante la auto-reconfiguración. Más específicamente, la RC puede ser adaptada, en aras de satisfacer las necesidades condicionadas por el medio, para transmitir y recibir en 7.

(22) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. una gran variedad de frecuencias utilizando diversas tecnologías de transmisión soportadas por este hardware de diseño (Márquez, 2014). 1.3 Arquitectura de las redes Radio Cognitivas Los componentes de la arquitectura de las redes RC, como se observa en la Figura 1.2, pueden dividirse en dos grupos: la red primaria (con licencia) y la red cognitiva.. Figura 1.2. Diagrama de una red radio cognitiva heterogénea. Adaptada de Figura 6 de (Akyildiz et al., 2006). En la red primaria los usuarios poseen una licencia para operar en una determinada porción del espectro y se denominan usuarios primarios (UP). Los usuarios que por su parte integran la red secundaria son los que están equipados con un radio cognitivo y se les conoce como usuarios secundarios (US) o usuarios cognitivos (UC) (Akyildiz et al., 2006). Como se observa en la Figura 1.2 los US tienen acceso tanto a las bandas utilizadas por los UP como a las de acceso liberado. De esta forma, se pueden establecer dos formas de operación para los US: operación en bandas de acceso exclusivo y de acceso libre respectivamente. La zona espectral con asignación fija (acceso exclusivo) se utiliza principalmente por la red primaria, mientras la red secundaria se encarga principalmente de la exploración del estado de la misma para detectar la presencia de los UP e identificar las porciones vacantes. 8.

(23) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. En la capacidad del canal que perciben los UP, influye directamente la interferencia por parte de la red secundaria, por ello si un UP aparece en el canal ocupado por los UC, entonces estos últimos deben abandonar inmediatamente la conexión y migrar hacia otro canal disponible. En ausencia de UP (bandas de acceso liberado) los US tienen el mismo derecho a acceder al espectro, incluso, múltiples redes RC pueden coexistir en una misma área y comunicarse utilizando la misma porción del espectro, pero para ello son imprescindibles los métodos adecuados de repartición de los recursos espectrales. Los US no solo deben coexistir con UP, sino también con otros US (Akyildiz et al., 2006). 1.3.1 Funciones principales de las Redes Radio Cognitivas Las redes RC brindan mejores posibilidades de acceso al espectro para los usuarios de las bandas libres sin que esto afecte la calidad en el servicio para los usuarios con licencia. Estas potencialidades requieren de un apropiado desempeño de las actividades fundamentales que se desarrollan en el marco de estas redes: exploración, administración, compartición y movilidad del espectro. Exploración del espectro: Un importante requerimiento de las redes de nueva generación es la capacidad de captar la información de las porciones libres del espectro. Se debe designar un radio cognitivo que se mantenga consciente y sensible a los cambios circundantes, de manera que sea capaz de detectar las frecuencias de acceso libre y adaptarse al medio (Pedraza et al., 2012). Administración del espectro: Debido a que las redes RC deben decidir cuál es la mejor banda disponible atendiendo a los requerimientos de calidad de servicio (QoS), resulta imprescindible llevar a cabo un proceso de administración o dirección, considerando las características dinámicas del espectro. Este proceso debe encargarse de realizar el análisis y la decisión del espectro (Akyildiz et al., 2006). Compartición del espectro: El dispositivo radio cognitivo debe coordinar sus transmisiones para evitar colisiones e imbricaciones de sus señales con las de otros usuarios. La compartición permite repartir los recursos espectrales entre los múltiples clientes de la red RC y evitar la interferencia con usuarios autorizados. Para que se pueda compartir el espectro es necesario un protocolo de control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control), 9.

(24) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. que puede incluso repartir las tareas de análisis y determinar los tiempos de transmisión entre otras acciones (Akyildiz et al., 2006). Movilidad espectral: En un entorno de radiocomunicaciones con acceso dinámico al espectro, la disponibilidad de los canales inalámbricos puede cambiar frecuentemente en el tiempo. Cuando en un sistema radio cognitivo, los US detectan la presencia de un UP en la banda de frecuencia utilizada, dicha banda debe ser liberada inmediatamente para el uso de los usuarios con licencia. El procedimiento mediante el cual se realiza la transición de un canal a otro con una degradación mínima en el desempeño se conoce como handoff o movilidad espectral. Existen dos retardos que constituyen factores importantes a tener en cuenta en el diseño de protocolos de comunicación para la RC: el retardo asociado al proceso de handoff propiamente y el retardo que se produce entre el momento que se detecta la presencia de los UP en la banda en uso y el momento en que se desocupa dicha banda, porque las transmisiones de los US durante este período pueden provocar interferencias perjudiciales a los UP (Bordón and Montejo, 2015). 1.4 El Rendezvous en redes radio cognitivas En las redes RC, cada US tiene uno o más radios capaces de captar la información del espectro y detectar porciones que no estén ocupadas por los UP, para hacer un uso oportunista de las mismas. Para establecer un enlace de comunicación, dos US deben encontrarse en un canal común libre e intercambiar información de señalización, este proceso es lo que conocemos como Rendezvous y es imprescindible para el funcionamiento de las redes RC (Guerra et al., 2015). El Rendezvous no es un proceso trivial, debido a que el entorno radioeléctrico es heterogéneo y variable. Los canales disponibles para cada usuario varían con el tiempo y con la posición geográfica del mismo; por ello para dos US, ubicados en zonas geográficas distantes, el conjunto de canales libres que detectan podría no coincidir (Liu et al., 2012a). De acuerdo a la disponibilidad de espectro que perciben los US que intentan establecer Rendezvous, las redes RC se clasifican en dos modelos fundamentales: el modelo Simétrico y el modelo Asimétrico. Si los US detectan las mismas bandas disponibles, estamos en presencia de un modelo del tipo Simétrico, que se caracteriza generalmente porque los US presentan relativa proximidad geográfica entre ellos (Guerra et al., 2015). En este trabajo se reconoce como un modelo Ideal al escenario con un modelo Simétrico donde 10.

(25) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. todos los canales están libres para los US. Por otra parte, estamos en presencia de un modelo Asimétrico cuando las porciones disponibles del espectro que detectan los US de una red RC no coinciden. 1.4.1 Arquitectura de los algoritmos de Rendezvous Los algoritmos implementados para alcanzar el Rendezvous también pueden ser divididos en grupos para facilitar la diferenciación de los mismos. En la Figura 1.3 se observa un diagrama de las clasificaciones de los algoritmos de Rendezvous atendiendo a dos criterios fundamentales: si la red RC es centralizada o no, y si se utiliza o no un canal de control común (CCC, Common Control Channel) (Liu et al., 2012a).. Figura 1.3. Clasificación de los algoritmos de Rendezvous. Adaptado de Figura 1 de (Liu et al., 2012a). En dependencia de la existencia o no de un centralizador (estación base) la red RC se clasifica en centralizada o descentralizada. En los sistemas centralizados, como se observa en la Figura 1.4, un controlador central dirige los radios cognitivos a través de los canales disponibles y puede incluso tener la capacidad de establecer enlaces entre ellos y programar la transmisión de la información (Theis et al., 2011). La mayoría de los sistemas centralizados, como (Brik et al., 2005; Buddhikot et al., 2005), requieren de un servidor que opere sobre un CCC preestablecido, el cual es bien conocido y accesible por todos los usuarios en la red. 11.

(26) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. Técnicamente, el CCC se puede establecer en un canal de acceso libre (banda ISM) o en una banda de acceso exclusivo específica. Aunque el uso de un CCC facilita la comunicación entre el servidor y los usuarios, y esto simplifica el proceso de Rendezvous significativamente, tiene varios inconvenientes, por ejemplo: debido a la creciente congestión en las bandas de acceso libre, la estrategia de ubicación preferible es establecer el CCC en los segmentos de acceso exclusivo del espectro, sin embargo, es difícil de implementar en redes RC, debido a que la disponibilidad de los canales para cada US puede cambiar dinámicamente con el tiempo y la posición geográfica. Por otra parte, un CCC es vulnerable a los ataques de jamming y un punto de falla fácil para el sistema (Liu et al., 2012a).. Figura 1.4. Diagrama de una red RC centralizada y descentralizada. Adaptada de la Figura 1.5 de (Pérez, 2015). Algunos algoritmos proponen métodos para sistemas centralizados sin la utilización de un CCC. La idea básica de estos mecanismos consiste en que cada US realice un análisis exhaustivo del espectro, buscando de menor a mayor en el rango de frecuencias hasta encontrar un canal libre y esperar en él el tiempo suficiente para que se encuentre con el servidor. Si este canal está disponible para ambos, el servidor y el US, entonces la comunicación se establecerá de manera satisfactoria (Liu et al., 2012a).. 12.

(27) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. Aunque este tipo de sistema es fácil de implementar y proporciona un gran control del espectro, no es escalable, flexible, ni robusto. Con el aumento del número de radios en la red, la habilidad para coordinarlos se vuelve forzosa, el servidor se vuelve generalmente un cuello de botella y una falla en el mismo podría colapsar todo el sistema (Theis et al., 2011). Los sistemas descentralizados pueden utilizar, al igual que los centralizados, un CCC bien conocido y accesible por todos los usuarios de la red. En estos sistemas dos usuarios cualesquiera pueden acceder a este canal para intercambiar información de control. Establecer un CCC para todos los US de una red RC es una tarea difícil puesto que la disponibilidad de espectro que perciben los mismos varía dinámicamente, por ello los autores en (Jia et al., 2008) proponen establecer sistemas de membresía (grupos de usuarios) utilizando un CCC local. En estos sistemas los usuarios de un mismo grupo establecen un CCC disponible para todos por el que puedan comunicarse con cada uno de los miembros restantes de su grupo. En los sistemas descentralizados con CCC es muy difícil obtener un CCC global, y el proceso de establecer y mantener un CCC local representa una sobrecarga considerable para el proceso de señalización. Además la creación de los grupos de US conlleva a un gran costo de tiempo. Dado que el uso de un CCC en las redes RC descentralizadas presenta limitaciones, los sistemas que no requieren CCC, o más comúnmente denominados sistemas de Rendezvous ciego han acaparado mayor atención. 1.5 Algoritmos de Rendezvous ciego Los algoritmos de Rendezvous ciego se basan fundamentalmente en las técnicas de salto de canal (SC), en las que cada US sigue una secuencia de saltos hasta lograr el Rendezvous con el otro US, con que se desea comunicar. La clave de estas técnicas radica en el algoritmo empleado para generar el orden en que son visitados los canales (Liu et al., 2012a). En la Figura 1.5 se muestra un esquema con la clasificación del Rendezvous ciego de acuerdo a si utiliza secuencias generadas aleatoriamente y si se requiere o no sincronización entre los US (Liu et al., 2012a). Un algoritmo trivial de SC es el Aleatorio, en el que cada usuario decide su propia secuencia de salto de manera puramente aleatoria. Cada usuario salta a un canal dentro del conjunto de canales disponibles e intenta el Rendezvous. Este método es aplicable a cualquier escenario. 13.

(28) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. El principal inconveniente de este tipo de algoritmos es que no garantiza el Rendezvous en un tiempo finito.. Figura 1.5. Clasificación de los Algoritmos de Rendezvous ciegos. Adaptada de la Figura 1 de (Liu et al., 2012a). Algunos algoritmos de Rendezvous ciego utilizan sincronización en el tiempo, sin embargo la heterogeneidad de la red dificulta sincronizar todos los usuarios de una red RC descentralizada. Debido a los problemas asociados a la sincronización se han desarrollado algoritmos que no requieren de la misma. Uno de los más representativos es propuesto en (DaSilva and Guerreiro, 2008) y luego nombrado en (Theis et al., 2011) como GOS (Generated Orthogonal Sequence). Este algoritmo solo garantiza el Rendezvous en modelos simétricos donde todos los usuarios tienen igual disponibilidad de espectro. Atendiendo a esta deficiencia se propone en (Bian and Park, 2011) un algoritmo denominado ACH (Asynchronous Channel Hopping) que garantiza el Rendezvous tanto en sistemas simétricos como asimétricos, asumiendo que existen dos roles en el proceso, transmisor (Tx) y receptor (Rx), que separadamente generan secuencias de SC y solo se puede efectuar el Rendezvous en un sentido, de Tx a Rx. Algunos algoritmos basados en esta idea utilizan además un método conocido como camino en anillo (RW, Ring-walk) (Liu et al., 2010), donde cada canal es representado por un vértice en un anillo y los US visitan los vértices (canales) con diferentes velocidades y el Rendezvous se garantiza porque los usuarios que más rápido recorren el anillo alcanzan a los más lentos (Liu et al., 2012a). 14.

(29) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. Otras investigaciones (Brik et al., 2005; Chang and Huang, 2013; Cormio and Chowdhury, 2010; DaSilva and Guerreiro, 2008; Liu et al., 2012c; Reguera et al., 2014) llevaron al desarrollo de varios algoritmos que también garantizan el Rendezvous tanto en modelos simétricos como asimétricos, lo que resulta de gran importancia al evaluar su desempeño. Por otra parte, el tiempo de Rendezvous conocido por sus siglas en inglés como TTR (Time To Rendezvous) es el parámetro más empleado para evaluar el desempeño de los algoritmos de Rendezvous. Se define el TTR como el número de ranuras de tiempo necesarias para que dos UC logren el Rendezvous una vez que hayan comenzado los saltos de canal, considerando que una ranura o slot representa el tiempo máximo establecido para un único intento de encuentro entre los US. Frecuentemente son empleadas dos métricas diferentes para evaluar el TTR: (i) valor esperado, o promedio, del TTR (ETTR) y (ii) máximo TTR (MTTR). Estos valores son analíticamente calculados considerando que todos los canales están disponibles para los US y el principal objetivo de los algoritmos de Rendezvous es minimizar el ETTR y garantizar un MTTR finito (Ortiz and Reguera, 2015). Otro elemento a considerar a la hora de evaluar los algoritmos es si son capaces o no de garantizar máxima diversidad, o sea, si permiten que los US se encuentren en cualquiera de los canales disponibles facilitando el establecimiento del Rendezvous en todos ellos. La mayor parte de los algoritmos reportados implícitamente consideran que cada US está equipado con un único radio, debido a que los algoritmos generan una única salida (canal a intentar el Rendezvous) en cada ranura de tiempo. Si en lugar de utilizar un solo radio los algoritmos se implementan con múltiples radios, se puede reducir el TTR porque es posible intentar el Rendezvous en más de un canal simultáneamente aprovechando en mayor medida cada ranura de tiempo debido a que cada usuario asume con sus diferentes radios más de un rol (Guerra et al., 2015). 1.6 Utilización de múltiples radios en Rendezvous ciego El costo asociado a la fabricación de los dispositivos de radio ha decaído considerablemente producto de los avances tecnológicos por lo que resulta factible explotar estas potencialidades de modo que se logre una mejora de los valores asociados al TTR (ETTR y MTTR) con bajos costos (Yu et al., 2014). Cuando un US está equipado con más de un dispositivo de radio. 15.

(30) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. puede realizar diferentes roles en la comunicación debido a que es capaz de actuar como receptor y como transmisor simultáneamente. En (Yu et al., 2014) los autores consideran dos estrategias para implementar los algoritmos con múltiples radios, el método de secuencia paralela y el de secuencia independiente. Cuando dos usuarios tienen diferente cantidad de radios, solo el esquema de secuencia independiente funciona. Sin embargo, cuando los nodos tienen el mismo número de radios, el método de secuencia paralela presenta mejor desempeño que el de secuencia independiente (Yu et al., 2014). El método de secuencia independiente consiste en aplicar una secuencia de salto de canal diferente para cada radio, dichas secuencias son generadas por alguno de los algoritmos existentes. De esta forma cada radio recibe tratamiento como un usuario virtual independiente intentando el Rendezvous, lo que supone una mejora en el TTR. En el método con secuencia paralela el algoritmo escogido genera una única secuencia de SC que es implementada por todos los radios a la vez (Yu et al., 2014). Supongamos que la secuencia generada por el algoritmo es {𝑆1 , 𝑆2 , 𝑆3 , 𝑆4 , 𝑆5 , 𝑆6 … } y que el usuario está equipado con tres radios entonces en la primera ranura de tiempo los tres radios intentan el Rendezvous en los canales S1, S2 y S3 respectivamente y en la próxima ranura de tiempo los tres radios saltan a S4, S5 y S6 respectivamente y así sucesivamente. En (Yu et al., 2014) se propone un algoritmo conocido como RPS (Role-based Parallel Sequence) en el cual cada US está equipado con múltiples radios. Más tarde en (Pérez et al., 2015) los autores proponen una variante del algoritmo Full Diversity Channel Hopping (FDCH) identificada como G-FDCH-CS que también considera que cada US está equipado con dos o más radios y cada radio sigue una secuencia diferente para visitar los canales de la red. Ambas investigaciones confirmaron que el empleo de múltiples radios por US se traduce en una disminución favorable del tiempo requerido para alcanzar el Rendezvous. El empleo de múltiples radios por US podría representar, a simple vista, una disminución en la energía requerida ya que el Rendezvous se produce más rápido, sin embargo con el aumento del número de radios se incrementan factores como el costo económico, la complejidad del sistema y el costo energético requerido por el usuario para el funcionamiento 16.

(31) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LAS REDES RADIO COGNITIVAS ________________________________________________________________________________. simultáneo de dichos dispositivos hasta alcanzar el Rendezvous. Sin embargo, tanto el costo económico como la complejidad del sistema podrían considerarse justificables cuando representan una mejora en el TTR. Por otra parte el consumo energético asociado a la operatividad del sistema generalizado con múltiples radios es un parámetro de cuidado para los dispositivos inalámbricos móviles por lo que se hace necesario profundizar en el comportamiento energético de los diversos algoritmos de Rendezvous ciego ante el aumento del número de radios cognitivos. 1.7 Consideraciones finales del capítulo La Radio Cognitiva surge como solución a la insuficiencia espectral provocada por las políticas estáticas de asignación del espectro. Uno de los problemas que deben enfrentar las redes RC es el problema del Rendezvous entre los US, las soluciones que implican la existencia de un CCC son vulnerables y difíciles de establecer y mantener, por lo que es necesario desarrollar algoritmos de Rendezvous ciegos, que además no requieran sincronismo entre los US debido a lo difícil que suele ser conseguirlo, dadas las características heterogéneas de las redes RC. La disminución de los precios asociados a la fabricación de los dispositivos de radio permite explotar, sin costo económico alarmante, las potencialidades de la implementación de algoritmos con múltiples radios o la generalización de los algoritmos de Rendezvous ciego inicialmente desarrollados para trabajar con uno o dos radios solamente. En particular, cuando un US utiliza más de un radio, el TTR puede ser reducido potencialmente mientras el costo económico adicional es justificable. Sin embargo, el empleo de múltiples radios por US incrementa el costo energético requerido para el funcionamiento de estos dispositivos, por lo que se hace necesario profundizar en el análisis del comportamiento energético de los diversos algoritmos de Rendezvous ciego ante el aumento del número de radios cognitivos.. 17.

(32) CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS..

(33) CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS ________________________________________________________________________________. CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS. En las redes RC el aumento del número de radios por US proporciona una disminución en el tiempo de Rendezvous, pero también provoca un aumento del costo energético e intensifica la complejidad del sistema lo que influye negativamente en el desempeño de los algoritmos. Por ello es necesario el análisis de los algoritmos de Rendezvous que emplean múltiples radios en términos de consumo energético. Dos de los conocidos por emplear más de un radio son el RPS y el G-FDCH-CS, este último es una generalización del FDCH-CS que surgió inicialmente para trabajar con dos radios solamente. 2.1 Consideraciones energéticas de las Redes RC El creciente desarrollo de las técnicas de RC, para encontrar y usar el espectro disponible para redes inalámbricas en equipos móviles, ha resultado en una búsqueda por minimizar el consumo energético de los dispositivos que emplean dicha técnica. Los autores en (Badruddoza et al., 2011) describen las influencias positivas y negativas, en cuanto a consumo energético, asociadas al empleo de las técnicas de RC. Mirando desde un ángulo positivo, las técnicas de RC reducen la energía consumida para el establecimiento de la conexión al encontrar las porciones del espectro que se encuentran menos congestionadas. Esto puede facilitar el establecimiento de la comunicación con menor probabilidad de interferencia del medio, lo que resulta otro factor que requiere de un consumo energético adicional para los dispositivos móviles. Mayor interferencia del medio resulta típicamente en un aumento del número de colisiones y en el tiempo gastado para responder a este problema ya sea esperando un tiempo aleatorio o apartándose. Basados en esto, los autores en (Badruddoza et al., 2011) realizan comparaciones entre una radio cognitiva que examina una porción del espectro para escoger un canal y establecer comunicación, y una radio convencional fija en un canal dentro de este mismo espectro para transmitir la misma información, demostrando que el dispositivo cognitivo es energéticamente más eficiente y capaz de ahorrar fácilmente de un 20 a un 40% de la energía consumida por una radio convencional.. 18.

(34) CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS ________________________________________________________________________________. Por otra parte, el escaneo del espectro para detectar los agujeros espectrales, los posibles saltos entre los canales de frecuencia y el proceso de señalización hasta lograr establecer el Rendezvous, se traducen en un consumo intensivo de energía y pueden resultar en una disminución del tiempo de vida de la batería de los dispositivos móviles como tabletas, laptops, teléfonos inteligentes, sensores inalámbricos, entre otros. En los algoritmos que utilizan múltiples radios, las tareas necesarias para alcanzar el establecimiento del Rendezvous se realizan simultáneamente por todos los radios aumentando el consumo energético asociado a este proceso. En (Badruddoza et al., 2011) los autores consideran una red ad-hoc WLAN donde todos los nodos son libres de escoger cualquier canal para establecer la comunicación. Además, los nodos siempre tienen paquetes para enviar, cuando un canal presenta alta contención, otro canal con menos nodos es encontrado. Para estimar la energía consumida por un radio cognitivo al establecer el Rendezvous, los autores en (Badruddoza et al., 2011) tienen en cuenta el consumo asociado al escaneo de los canales y al proceso de señalización. En este último, el análisis se basa en el comportamiento y las demoras de un nodo que transmite, recibe o escucha al medio utilizando el modelo de acceso básico sin RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send) como se observa en la Figura 2.1 donde los tiempos SIFS (Espacio entre tramas corto) son los intervalos que una estación tiene que esperar antes de enviar un reconocimiento ACK, un mensaje CTS o fragmentos consecutivos de una trama fragmentada y los tiempos DIFS (Espacio entre tramas DCF) son los intervalos que una estación tiene que esperar para transmitir una trama de datos, una trama de gestión o una trama de control en el modo DCF (Operación de la Función de Coordinación Distribuida) del estándar IEEE 802.11.. Figura 2.1. Paquete de comunicación en el modo de acceso básico del estándar IEEE 802.11. Elaboración propia.. 19.

(35) CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS ________________________________________________________________________________. En el presente trabajo solamente se analiza el consumo asociado al proceso de señalización entre los usuarios intentando establecer el Rendezvous utilizando RTS/CTS. De esta forma cada usuario con cada uno de sus radios irá acumulando tiempos de transmisión y recepción de paquetes RTS o CTS así como tiempos de espera o de inactividad acorde al papel que juegan los radios. De esta forma, al lograr el Rendezvous existirá un valor total para cada uno de estos tiempos que se asociará con la potencia que consumen los radios para realizar estas funciones de acuerdo con la fórmula de energía: 𝐸 = 𝑃 × 𝑡 donde P representa la potencia requerida por el dispositivo para realizar determinada función durante un período de tiempo t. 2.1.1 Mecanismo de Señalización RTS-CTS Cuando múltiples US comparten una misma banda de frecuencia, el acceso al espectro debe coordinarse de modo que se minimicen las colisiones y la interferencia mutua. La capa de control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control) es responsable de esta coordinación para el acceso controlado y ordenado al espectro. Dentro de los protocolos MAC más extendidos para redes inalámbricas se encuentra el estándar IEEE 802.11 (López, 2006), donde el acceso al canal inalámbrico es regulado a través del intercambio de mensajes de control RTS/CTS como se muestra en la Figura 2.2. Este proceso de señalización resulta imprescindible para completar el Rendezvous y debe garantizar el establecimiento de las condiciones necesarias para la comunicación entre los usuarios (Bordón and Montejo, 2015). La idea clave es que el transmisor y el receptor intercambiarán tramas de control entre sí antes de que el transmisor comience a enviar datos, permitiendo informar a todas las otras estaciones o nodos que una transmisión está por comenzar. Cuando un usuario quiere enviar un paquete a otro dentro de la red, primero envía una trama de petición de envío (RTS, Request to Send), que incluye su identificación, la identificación del nodo destino y la longitud del paquete de datos. Si el receptor está en el rango de transmisión del usuario que realizó la petición, recibe el mensaje RTS y en caso de ser posible la comunicación, replica con un mensaje de aceptación de envío (CTS, Clear to Send). Si el mensaje CTS es recibido por el usuario transmisor, este inicia la transmisión de datos en el canal acordado por ambos usuarios y luego espera por el mensaje de reconocimiento (ACK, 20.

(36) CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS ________________________________________________________________________________. Acknowledgement) de recepción correcta de los datos. Cualquier nodo que escuche estos mensajes de control retrasa sus propias transmisiones hasta que finalicen las transmisiones en curso. Para limitar las colisiones, cada nodo mantiene un vector de transmisiones en curso que es actualizado cada vez que un mensaje RTS, CTS o ACK es recibido (Xu et al., 2003).. Figura 2.2. Intercambio de paquetes RTS/CTS. Adaptada de Figura 2 de (Ray et al., 2003). 2.1.2 Caracterización de radios cognitivos típicos Los radios se encargan del proceso de señalización y son los componentes de mayor consumo energético dentro de un dispositivo típico de rastreo del espectro. Además trabajan en distintos modos de operación que se relacionan con las funciones que realizan y pueden resumirse en: transmisión, recepción e inactivo. La potencia que se consume durante el modo inactivo es muy pequeña en comparación con la del resto de los modos de operación, por lo que este estado, realmente, no representa una contribución significativa al cálculo de la energía. Los intervalos de tiempo durante los cuales el radio cognitivo se encuentra en espera. 21.

(37) CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS ________________________________________________________________________________. de un paquete CTS o simplemente escuchando el canal, podrían clasificarse como intervalos de tiempo inactivo del dispositivo (Herrera, 2008). Un radio cognitivo típico, utilizado en diversos sistemas (Gungor et al., 2010; Su and Alzaghal, 2008) es el CC2420 que constituye un único dispositivo capaz de transmitir y recibir simultáneamente de acuerdo con las especificaciones de la IEEE 802.15.4. Según el fabricante (T. Instruments, 2007) el CC2420 está diseñado para aplicaciones inalámbricas con bajos valores de voltaje y potencia. Además, es una solución altamente integrada y de bajo costo para las comunicaciones en la banda libre de 2.4GHz. Este dispositivo cuenta con un hardware extenso capaz de soportar el manejo de paquetes, la acumulación organizada de datos, la autenticación y encriptación de datos, la estimación de la capacidad del canal y la calidad del enlace. Este dispositivo consume 60µW de potencia en el estado inactivo, mientras en los estados de transmisión y recepción requiere de 57mW y 63mW de potencia respectivamente (Langendoen, 2008). En este dispositivo la potencia de recepción es mayor que la potencia requerida para la transmisión, sin embargo otros dispositivos de radio para redes RC típicos consumen mayor potencia para transmitir que para recibir. Un ejemplo de estos dispositivos lo constituye el radio cognitivo CC1000. El CC1000 es un radio cognitivo que consume 75mW para la transmisión y 36mW para la recepción (Langendoen, 2008). En el estado inactivo la potencia requerida es de 100µW, mayor que la que consume el CC2420. Según el fabricante (T. Instruments, 2004), el CC1000 es, al igual que el CC2420, un dispositivo transmisor/receptor diseñado para aplicaciones inalámbricas con bajos valores de voltaje y potencia. Este dispositivo está destinado principalmente para trabajar en las bandas de frecuencia ISM (Industrial, Scientific and Medical) y SRD (Short Range Device) a 315, 433, 868 y 915 MHz, pero puede ser fácilmente programado para operar a otras frecuencias en el rango de 300 a 1000 MHz. Los principales parámetros de operación del CC1000 pueden ser programados por medio de un bus serial, lo que le confiere gran simplicidad y flexibilidad. Tanto el CC2420 como el CC1000 constituyen un único dispositivo transmisor/receptor, mientras, el objetivo del presente trabajo es evaluar los algoritmos con múltiples radios, sin embargo estos radios anteriormente descritos presentan valores típicos para las potencias en 22.

(38) CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS ________________________________________________________________________________. los tres modos de operación. Es por ello que se consideran dispositivos con múltiples radios donde cada uno de los mismos emplea potencias de transmisión, recepción e hibernación similares a las que emplean los radios descritos. 2.2 Modelación del sistema Se considera una red RC formada por 𝑀 US ubicados en la misma área geográfica. Desde el punto de vista de los US, el espectro se divide en 𝑁 canales y se considera que no existe solapamiento entre canales adyacentes y que no están siendo utilizados por UP en ningún momento. Los US identifican de manera única cada uno de los canales de la red usando las etiquetas 0,1,2,…,N-1. Se considera además que la comunicación es dividida en ranuras de tiempo de duración fija y cada US está equipado con 𝑘 radios que son identificados como 2,3,…,k. Sea 𝑆𝑡𝑢 = 𝑢 𝑢 𝑢 𝑢 {𝑆𝑡,1 , 𝑆𝑡,2 , … , 𝑆𝑡,𝑘 } los canales visitados por el US u en la ranura de tiempo t, donde 𝑆𝑡,𝑖. representa el canal visitado por el US u con el radio i en la ranura de tiempo t. Esta notación se utiliza durante la explicación de todos los algoritmos a lo largo del capítulo. Sea τ el tiempo necesario para intercambiar la información de handshake. Debido a que los US pueden no estar sincronizados se considera 2τ como la duración de una ranura de tiempo para asegurar que el solapado de dos ranuras cualquiera de tiempo sea suficiente para completar el proceso de Rendezvous (Yang et al., 2010), esto equivale a considerar que las ranuras de tiempo de los US están alineadas, aunque cada uno puede comenzar su secuencia de salto de canal en ranuras de tiempo diferentes (Lin et al., 2013). 2.3 Selección de los algoritmos En (Yu et al., 2014) los autores proponen por primera vez un método para generalizar algoritmos que inicialmente se implementaron para utilizar un solo radio cognitivo. El método se divide en dos variantes independientes denominadas secuencia paralela y secuencia independiente. Finalmente proponen un nuevo algoritmo que trabaja utilizando múltiples radios por US denominado RPS (Role-based Parallel Sequence) donde cada radio cumple un rol independiente: transmisor o receptor. Dicho algoritmo es capaz de soportar modelo asimétrico y además garantiza máxima diversidad. 23.

(39) CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS ________________________________________________________________________________. Utilizando el método de secuencia paralela para la generalización de los algoritmos propuesto en (Yu et al., 2014) los autores en (Pérez et al., 2015) desarrollan la generalización del algoritmo FDCH-CS (Full Diversity Channel Hopping-Common Strategy) donde los radios de los usuarios cumplen de manera independiente un rol en el proceso de señalización: transmisor o receptor, similar al RPS. El algoritmo G-FDCH-CS también soporta el modelo asimétrico y garantiza máxima diversidad. Estos dos algoritmos son los escogidos para la simulación puesto que presentan importantes potencialidades y además ha sido demostrado que poseen algunos de los mejores valores de ETTR y MTTR para el escenario con el modelo Ideal con respecto al resto de los algoritmos existentes. Los resultados obtenidos en (Pérez et al., 2015) demuestran la mejora en términos de ETTR que resulta de utilizar múltiples radios, sin embargo es necesario analizar las pérdidas en términos de energía que esto puede llegar a representar. 2.4 Descripción del algoritmo RPS Los autores de (Yu et al., 2014) introducen el algoritmo RPS (Role based Parallel Sequence) el cual está generalizado para que se implemente con múltiples radios. La Figura 2.3 muestra el seudocódigo del algoritmo RPS propuesto en (Yu et al., 2014). La idea básica de dicho algoritmo es dividir los radios que posee el US en dos grupos que interpretan roles diferentes, un grupo formado por un único radio, nombrado radio dedicado y otro grupo formado por el resto de los radios, nombrados radios generales. Los US saltan con los radios generales mientras permanecen fijos con su radio dedicado en un canal. El Rendezvous se espera que ocurra entre los radios generales de un US con el dedicado del otro. Si el US tiene k radios, divide sus radios de manera que se establezcan k-1 radios generales y un radio dedicado, un índice inicial s aleatoriamente se selecciona de modo que s ∈ [1, P-1], luego se elige aleatoriamente una longitud de paso l, de modo que l ∈ [1, P-1], donde P es el menor número primo mayor o igual que N. Los k-1 radios generales saltan en los P canales con una longitud del salto de l.. 24.

(40) CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS ________________________________________________________________________________. Figura 2.3. Pseudocódigo del algoritmo RPS. Adaptado de (Yu et al., 2014). 𝑃. El radio dedicado permanece en un mismo canal durante ⌈𝑘−1⌉ ranuras de tiempo y luego salta al próximo canal y permanece este mismo tiempo, si algún canal no está disponible se sustituye por otro aleatoriamente escogido entre los marcados previamente como disponibles (Yu et al., 2014). El RPS garantiza el Rendezvous con máxima diversidad. Además, para este algoritmo 𝑃. 𝐸𝑇𝑇𝑅 = ⌈𝑚𝑎𝑥(𝑘. ⌉+. 1 ,𝑘2 )−1. (⌈. 2 𝑃 ⌉−1) 𝑚𝑎𝑥(𝑘1 ,𝑘2 )−1 𝑃 2⌈ ⌉ min(𝑘1 ,𝑘2 )−1. 𝑃. como 𝑀𝑇𝑇𝑅 = ⌈2 ⌈𝑚𝑎𝑥(𝑘. 1 ,𝑘2 ). , por otra parte el valor del MTTR se calcula. ⌉ − 1⌉ , donde k1 y k2 son el número de radios que posee cada. uno de los US respectivamente. En el presente trabajo se asume k1=k2. 25.

(41) CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS ________________________________________________________________________________. 2.5 Descripción de los algoritmos FDCH-CD y G-FDCH-CD. En (Guerra et al., 2015) los autores proponen dos variantes del algoritmo FDCH (Full Diversity Channel Hopping) con el cual el Rendezvous puede ocurrir en cualquiera de los canales disponibles del US (diversidad máxima). Las variantes propuestas tienen la idea fundamental de representar los canales como nodos de un anillo circular y con el requisito que el total de nodos en el anillo sea impar, en caso de que N sea par se toma como N+1 la cantidad de nodos y se completa con uno de los canales disponibles. En la variante FDCHRB (Full Diversity Channel Hopping-Role Based) los US toman, cada uno, un rol en la comunicación, transmisor y receptor respectivamente. Como muestra la Figura 2.4 el transmisor salta alrededor del anillo en sentido horario y el receptor, en sentido anti horario, luego de haber completado una ronda, este último permanece en el último canal que visitó durante una ranura de tiempo para evitar que se puedan transponer los US sin que ocurra el Rendezvous.. Figura 2.4. Representación de los canales como nodos de un anillo y sentido de los saltos de los US en dependencia del rol que realicen. Tomado de Figura 1 en (Guerra et al., 2015). La Figura 2.5 muestra el seudocódigo de las secuencias de recepción y transmisión que deben seguir los US de acuerdo al rol que realicen.. 26.

(42) CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS ________________________________________________________________________________. Figura 2.5. Seudocódigo de las secuencias en dependencia del rol. a) Secuencia de Transmisión. b) Secuencia de Recepción. Adaptada de Figura 2 en (Guerra et al., 2015). La operación de reemplazo ocurre cuando el canal al que corresponde saltar no está disponible para el US, luego en dependencia del modelo de la red RC, Simétrico o Asimétrico, se aplica una de las operaciones de reemplazo que muestran el seudocódigo de la Figura 2.6. El algoritmo FDCH-RB necesita que los roles sean pre asignados, lo cual no siempre es posible en las redes RC, por lo que los propios autores proponen el algoritmo FDCH-CS (Full Diversity Channel Hopping - Common Strategy).. Figura 2.6. Seudocódigo de la Operación de reemplazo. a) Modelo Simétrico. b) Modelo Asimétrico. Adaptada de Figura 4 en (Guerra et al., 2015). 27.

(43) CAPÍTULO 2. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE ALGORITMOS DE RENDEZVOUS CIEGO CON MÚLTIPLES RADIOS ________________________________________________________________________________. Figura 2.7. Dirección de los radios de los US A y B en dependencia del rol de cada uno. Adaptada de Figura 5 en (Guerra et al., 2015). Como se muestra en la Figura 2.7 en este algoritmo cada usuario está equipado con dos radios los cuales son designados como de transmisión y recepción respectivamente. Los radios de cada US siguen en cada ranura de tiempo la secuencia 𝑆𝑅𝑡𝑢 mostrada en la Figura 2.5 b) si cumplen el rol de receptor y la secuencia 𝑆𝑇𝑡𝑢 mostrada en la Figura 2.5 a) si están destinados a la transmisión, de esta manera no es necesario preestablecer el rol de cada usuario, debido a que cada uno puede desempeñar ambos roles simultáneamente (Guerra et al., 2015). La Figura 2.8 muestra el seudocódigo del algoritmo FDCH-CS, donde en cada ranura de tiempo cada US intenta el Rendezvous con ambos radios a la vez en los canales 𝑆𝑇𝑢 (𝑡) y 𝑆𝑅𝑢 (𝑡) respectivamente.. Figura 2.8. Seudocódigo del Algoritmo FDCH-CS para su implementación de dos radios por cada US. Adaptada de Figura 6 en (Guerra et al., 2015). 28.